211service.com
Jak wynalazca, o którym prawdopodobnie nigdy nie słyszałeś, ukształtował współczesny świat
Wielu wynalazców, którzy napędzali rewolucję cyfrową, stało się powszechnie znanymi nazwiskami. I słusznie. Innowatorzy, tacy jak Steve Jobs, Bill Gates i Mark Zuckerberg, wszyscy wnieśli ogromny wkład w technologie, które zmieniły nasze codzienne życie i społeczeństwo.
Jeśli jednak nie jesteś inżynierem, prawdopodobnie nigdy nie słyszałeś o genialnym wynalazcy Rudolf Kálmán, urodzonym w Budapeszcie inżynierze i matematyku, który zmarł 2 lipca w Gainesville na Florydzie w wieku 86 lat. Jego fundamentalny wkład, algorytm zwany filtr Kalmana umożliwił wiele istotnych osiągnięć technologicznych ostatnich 50 lat. Należą do nich systemy kosmiczne, takie jak komputery, które wylądowały astronautów Apollo na Księżycu, pojazdy roboty, które badają nasz świat od głębin morskich po planety zewnętrzne, oraz prawie każdy wysiłek, który wymaga oszacowania stanu świata na podstawie zaszumionych danych. Ktoś kiedyś opisał cały system GPS — otaczającą Ziemię konstelację satelitów, stacji naziemnych i komputerów jako jeden ogromny filtr Kalmana.
W swojej społeczności zawodowej Kálmán był dobrze znany i podziwiany, odbiorca licznych nagród i wyróżnień. W 2009 roku prezydent Obama przyznał mu Narodowy Medal Nauki. Jeśli w ciągu ostatnich czterech dekad studiowałeś jakąkolwiek formę robotyki, sterowania lub inżynierii kosmicznej, to tytułowy filtr Kálmána był tak samo fundamentalny dla twojej pracy, jak twierdzenie Pitagorasa dla uczniów szkół średnich przygotowujących się do SAT.
Dlatego. Inżynierowie automatycy wiedzą, że możesz kontrolować tylko to, co możesz zmierzyć. Im dokładniej możesz to zmierzyć, tym lepiej możesz to kontrolować.
Rozważ wyzwanie, przed którym stanęli inżynierowie, których zadaniem było zaprojektowanie komputerów pokładowych Apollo na początku lat 60. XX wieku. Surowe dane komputerowe — pomiary z czujników, takich jak żyroskopy, akcelerometry i radary — były z natury zaszumione, pełne przypadkowych błędów i niechlujnych niedokładności. Podczas szybkiej beczki w kierunku skalistego księżyca te błędy mogą zrujnować Twój dzień.
W jakiś sposób musisz być w stanie odfiltrować ten szum z pomiarów i jak najlepiej oszacować, gdzie jesteś i jak szybko się poruszasz. Musisz także wiedzieć, jak dobre lub złe są twoje szacunki w sensie statystycznym, ponieważ myślenie, że radzisz sobie lepiej niż w rzeczywistości, może być katastrofalne. A wszystko to musi nastąpić w ułamkach sekundy, gdy statek kosmiczny leci w kierunku Księżyca, próbuje lądować na Księżycu lub nawleka igłę korytarza wejściowego, gdy ponownie wchodzi w ziemską atmosferę.
Właśnie tam wkroczył Rudolf Kálmán. W 1960 roku opublikował genialny rekurencyjny algorytm szacowania. Filtr osiągnął cel, jakim było dokładne oszacowanie i przewidywanie zmiennych krytycznych, takich jak lokalizacja, kierunek i prędkość w obecności zaszumionych pomiarów, a nawet oszacowanie szumu . Inni, tacy jak Norbert Wiener, wynalazca cybernetyki, zmierzyli się z tym problemem już wcześniej, ale Kálmán dostosował swoje rozwiązanie do wyłaniającego się świata komputerów cyfrowych i przetwarzania w czasie rzeczywistym.
Kiedy moduł księżycowy Apollo 11, kontrolowany przez Neila Armstronga i oprogramowanie, wykonał zapierające dech w piersiach lądowanie na Morzu Spokoju, filtr Kalmana zapewnił, że dane pozycyjne w czasie rzeczywistym pochodzące ze śledzenia radarowego na Ziemi ściśle zgadzały się z pokładem czujniki. Posłuchaj taśm, a usłyszysz, jak Buzz Aldrin wykrzykuje szacunki filtra Kalmana, gdy Armstrong wylądował.
Prawie to samo obliczenie, ze zmodernizowanymi filtrami Kalmana, dzieje się rutynowo w telefonie komórkowym. Czujnik GPS w telefonie podaje rzeczywiste współrzędne na powierzchni Ziemi, a akcelerometry wykrywają szybkie, małe ruchy. Każdy ma hałas i niedokładność różnych typów; filtr Kalmana łączy je w najlepsze z obu światów. Na przykład wjedź samochodem do tunelu i tracisz GPS, ale filtr Kalmana nadal osiąga całkiem niezłe rozpoznanie, dopóki nie wyjedziesz z drugiej strony i nie uzyskasz nowej pozycji GPS.
Ale to dopiero początek wpływu, jaki praca Rudolfa Kálmána będzie miała na świat. W ciągu następnej dekady filtr Kalmana będzie działał w technologiach konsumenckich, które zmienią Twoje życie w równie głęboki sposób.
Te same problemy z naprowadzaniem i nawigacją, z którymi zmagali się inżynierowie Apollo 50 lat temu – jak dokładnie lokalizować obiekty w bezkresie kosmosu – stanowią wyzwanie dla dzisiejszych inżynierów, którzy projektują autonomiczne samochody, które mogą bezpiecznie nawigować w inteligentnych miastach, grach komputerowych rzeczywistości rozszerzonej, i towarzysze robotów do pracy na hali produkcyjnej i w Twoim domu.
Wszystkie te wynalazki wymagają precyzyjnych informacji, które nazywamy mikrolokalizacją, w niektórych przypadkach z dokładnością do milimetrów, aby zapewnić, że autonomiczny samochód zaparkuje w garażu, a nie na trawniku, a zestaw słuchawkowy do gier w rzeczywistości wirtualnej sprawi, że będziesz latać, a nie wymiotować. i że Twój zaufany towarzysz robota nalewa kawę do Twojej filiżanki, a nie na Twoje kolana. Oznacza to miliony, a być może miliardy filtrów Kalmana.
Ale jest też Internet rzeczy, długo oczekiwana infrastruktura połączonego, inteligentnego świata przyszłości. Internet rzeczy będzie wymagał filtrów Kalmana w bilionach inteligentnych obiektów, które poprowadzą je tam, gdzie i kiedy ich chcemy, w naszych miejscach pracy, w naszych domach i gdzie indziej w naszym życiu.
Wtedy być może Kálmán w końcu dołączy do Jobsa, Gatesa i Zuckerberga jako powszechnie znane nazwisko.
David Mindell jest profesorem na MIT i założycielem firmy mikrolokacyjnej Humatics z Cambridge w stanie Massachusetts, która wykorzystuje filtr Kálmána. Frank Moss, absolwent MIT Instrumentation Laboratory, które zbudowało komputery Apollo, jest byłym dyrektorem MIT Media Lab i członek zarządu w firmie Humatics.