211service.com
Hoe een uitvinder waar je waarschijnlijk nog nooit van gehoord hebt de moderne wereld heeft gevormd
Veel van de uitvinders die de digitale revolutie hebben aangewakkerd, zijn bekende namen geworden. En terecht. Innovators zoals Steve Jobs, Bill Gates en Mark Zuckerberg hebben allemaal een enorme bijdrage geleverd aan de technologieën die ons dagelijks leven en onze samenleving hebben veranderd.
Als je echter geen ingenieur bent, heb je waarschijnlijk nog nooit gehoord van de briljante uitvinder Rudolf Kálmán, een in Boedapest geboren ingenieur en wiskundige die op 2 juli op 86-jarige leeftijd stierf in Gainesville, Florida. Zijn fundamentele bijdrage, een algoritme genaamd het Kalman-filter, heeft vele essentiële technologische prestaties van de afgelopen 50 jaar mogelijk gemaakt. Deze omvatten ruimtevaartsystemen zoals de computers die Apollo-astronauten op de maan hebben geland, robotvoertuigen die onze wereld verkennen van de diepzee tot de buitenste planeten, en bijna elke poging die de toestand van de wereld moet schatten op basis van lawaaierige gegevens. Iemand beschreef ooit het hele GPS-systeem - een aardomringende constellatie van satellieten, grondstations en computers als één enorm Kalman-filter.
Binnen zijn professionele gemeenschap was Kálmán bekend en zeer bewonderd, de ontvanger van talrijke prijzen en onderscheidingen. In 2009 kende president Obama hem de National Medal of Science toe. Als je de afgelopen vier decennia enige vorm van robotica, besturing of ruimtevaarttechniek hebt bestudeerd, dan was het gelijknamige filter van Kálmán net zo fundamenteel voor je werk als de stelling van Pythagoras is voor middelbare scholieren die zich voorbereiden op de SAT.
Dit is waarom. Control engineers weten dat je alleen kunt controleren wat je kunt meten. Hoe nauwkeuriger je het kunt meten, hoe beter je het kunt beheersen.
Denk eens aan de uitdaging waarmee de ingenieurs in het begin van de jaren zestig de Apollo-vluchtcomputers moesten ontwerpen. De onbewerkte gegevens van de computers - metingen van sensoren zoals gyroscopen, versnellingsmeters en radar - waren inherent luidruchtig, vol willekeurige fouten en rommelige onnauwkeurigheden. Wanneer je met hoge snelheid op een rotsachtige maan afstormt, kunnen die fouten je dag verpesten.
Op de een of andere manier moet je deze ruis uit de metingen kunnen filteren en de best mogelijke schatting kunnen maken van waar je bent en hoe snel je beweegt. U moet ook weten hoe goed of slecht uw schattingen zijn, in statistische zin, aangezien het rampzalig kan zijn om te denken dat u het beter doet dan u in werkelijkheid bent. En dit alles moet in fracties van een seconde gebeuren terwijl het ruimtevaartuig naar de maan raast, een maanlanding probeert of de naald van een ingangscorridor doordringt terwijl het de atmosfeer van de aarde terugkeert.
Dat is waar Rudolf Kálmán binnenkwam. Hij publiceerde in 1960 een ingenieus recursief schattingsalgoritme. Het filter zou het doel bereiken om kritieke variabelen zoals locatie, richting en snelheid nauwkeurig te schatten en te voorspellen in aanwezigheid van ruisige metingen, en zelfs de ruis schatten . Anderen, zoals cybernetica-uitvinder Norbert Wiener, hadden het probleem al eerder aangepakt, maar Kálmán paste zijn oplossing aan op de opkomende wereld van digitale computers en realtime verwerking.
Toen de Apollo 11-maanmodule, bestuurd door Neil Armstrong en een softwareprogramma, zijn bloedstollende landing maakte op de Sea of Tranquility, zorgde het Kalman-filter ervoor dat realtime positiegegevens afkomstig van aardradartracking nauw overeenkwamen met de onboard sensoren. Luister naar de banden en je zult Buzz Aldrin de schattingen van het Kalman-filter horen roepen terwijl Armstrong landde.
Bijna dezelfde berekening, met gemoderniseerde Kalman-filters, gebeurt routinematig in uw mobiele telefoon. De GPS-sensor van de telefoon geeft real-world coördinaten op het oppervlak van de aarde, terwijl de versnellingsmeters snelle, kleine bewegingen detecteren. Elk heeft verschillende soorten ruis en onnauwkeurigheid; het Kalman-filter combineert ze voor het beste van twee werelden. Rijd bijvoorbeeld met je auto een tunnel in en je verliest GPS, maar het Kalman-filter behaalt nog steeds een behoorlijk goede gegist bestek totdat je aan de andere kant uitkomt en een nieuwe GPS-fix krijgt.
Maar dat is nog maar het begin van de impact die het werk van Rudolf Kálmán op de wereld zal hebben. Binnen het volgende decennium zal het Kalman-filter aan het werk gaan in consumententechnologieën die uw leven op even ingrijpende manieren zullen veranderen.
Dezelfde begeleidings- en navigatieproblemen waarmee Apollo-ingenieurs 50 jaar geleden werden geconfronteerd - hoe objecten nauwkeurig te lokaliseren in de uitgestrektheid van de ruimte - dagen ingenieurs vandaag uit bij het ontwerpen van zelfrijdende auto's die veilig kunnen navigeren in slimme steden, augmented-reality computergames, en robotgenoten om op de fabrieksvloer en bij u thuis te werken.
Al deze uitvindingen vereisen nauwkeurige informatie, wat we microlocatie noemen, in sommige gevallen tot op de millimeter, om ervoor te zorgen dat uw zelfrijdende parkeergarages in uw garage parkeren en niet op uw gazon, dat uw virtual reality-gamingheadset u laat vliegen en niet braakt , en dat uw vertrouwde robotgenoot koffie in uw kopje schenkt en niet op uw schoot. Dit betekent miljoenen en misschien wel miljarden Kalman-filters.
Maar dan is er nog het internet der dingen, de langverwachte infrastructuur van een verbonden, slimme wereld van de toekomst. Het internet der dingen vereist Kalman-filters in biljoenen slimme objecten om ze te leiden naar waar en wanneer we ze willen, op onze werkplek, in onze huizen en elders in ons leven.
Dan zal Kálmán zich misschien eindelijk als een begrip bij Jobs, Gates en Zuckerberg voegen.
David Mindell is een professor aan het MIT en oprichter van Humatics, een microlocatiebedrijf in Cambridge, Massachusetts, dat gebruik maakt van het Kálmán-filter. Frank Moss, een alumnus van het MIT Instrumentation Laboratory dat de Apollo-computers heeft gebouwd, is een voormalig directeur van het MIT Media Lab en bestuurslid bij Humatics.