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Wie ein Erfinder, von dem Sie wahrscheinlich noch nie gehört haben, die moderne Welt geprägt hat
Viele der Erfinder, die die digitale Revolution vorangetrieben haben, sind zu bekannten Namen geworden. Und das zu Recht. Innovatoren wie Steve Jobs, Bill Gates und Mark Zuckerberg haben alle einen gewaltigen Beitrag zu den Technologien geleistet, die unser tägliches Leben und unsere Gesellschaft verändert haben.
Wenn Sie jedoch kein Ingenieur sind, haben Sie wahrscheinlich noch nie von dem brillanten Erfinder Rudolf Kálmán gehört, einem in Budapest geborenen Ingenieur und Mathematiker, der am 2. Juli in Gainesville, Florida, im Alter von 86 Jahren starb. Sein grundlegender Beitrag, ein Algorithmus namens der Kalman-Filter, ermöglichte viele wesentliche technologische Errungenschaften der letzten 50 Jahre. Dazu gehören Luft- und Raumfahrtsysteme wie die Computer, mit denen Apollo-Astronauten auf dem Mond gelandet sind, Roboterfahrzeuge, die unsere Welt von der Tiefsee bis zu den äußeren Planeten erkunden, und fast alle Unternehmungen, die den Zustand der Welt aus verrauschten Daten abschätzen müssen. Jemand hat einmal das gesamte GPS-System – eine erdumkreisende Konstellation von Satelliten, Bodenstationen und Computern – als einen riesigen Kalman-Filter beschrieben.
In seiner Fachwelt war Kálmán bekannt und hoch bewundert, Träger zahlreicher Auszeichnungen und Ehrungen. 2009 verlieh ihm Präsident Obama die National Medal of Science. Wenn Sie in den letzten vier Jahrzehnten irgendeine Form von Robotik, Steuerung oder Luft- und Raumfahrttechnik studiert haben, dann war Kálmáns gleichnamiger Filter für Ihre Arbeit ebenso grundlegend wie der Satz des Pythagoras für Oberschüler, die sich auf das SAT vorbereiten.
Hier ist der Grund. Regelungsingenieure wissen, dass man nur kontrollieren kann, was man messen kann. Je genauer man es messen kann, desto besser kann man es kontrollieren.
Denken Sie an die Herausforderung, vor der die Ingenieure standen, die Anfang der 1960er Jahre mit der Entwicklung der Apollo-Flugcomputer beauftragt wurden. Die Rohdaten der Computer – Messungen von Sensoren wie Gyroskopen, Beschleunigungsmessern und Radar – waren von Natur aus verrauscht, voller zufälliger Fehler und unsauberer Ungenauigkeiten. Wenn Sie mit hoher Geschwindigkeit auf einen felsigen Mond zurasten, können diese Fehler Ihren Tag ruinieren.
Irgendwie muss man in der Lage sein, dieses Rauschen aus den Messungen herauszufiltern und möglichst genau einzuschätzen, wo man sich befindet und wie schnell man sich fortbewegt. Sie müssen auch wissen, wie gut oder schlecht Ihre Schätzungen im statistischen Sinne sind, da es katastrophal sein kann zu glauben, dass Sie besser abschneiden, als Sie tatsächlich sind. Und all dies muss in Sekundenbruchteilen geschehen, wenn das Raumschiff auf den Mond zurast, eine Mondlandung versucht oder beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre die Nadel eines Eingangskorridors einfädelt.
Hier kam Rudolf Kálmán ins Spiel. Er veröffentlichte 1960 einen ausgeklügelten rekursiven Schätzalgorithmus. Der Filter sollte das Ziel erreichen, kritische Variablen wie Ort, Richtung und Geschwindigkeit bei verrauschten Messungen genau zu schätzen und vorherzusagen und sogar das Rauschen zu schätzen . Andere, wie der Erfinder der Kybernetik, Norbert Wiener, hatten sich zuvor mit dem Problem befasst, aber Kálmán schneiderte seine Lösung auf die aufkommende Welt der digitalen Computer und der Echtzeitverarbeitung zu.
Als die von Neil Armstrong und einem Softwareprogramm gesteuerte Mondlandefähre von Apollo 11 ihre atemberaubende Landung auf dem Meer der Ruhe durchführte, sorgte der Kalman-Filter dafür, dass die Echtzeit-Positionsdaten, die von der erdgestützten Radarverfolgung kamen, genau mit denen an Bord übereinstimmten Sensoren. Hören Sie sich die Bänder an und Sie werden hören, wie Buzz Aldrin die Schätzungen des Kalman-Filters ausruft, als Armstrong landete.
Fast dieselbe Berechnung mit modernisierten Kalman-Filtern findet routinemäßig in Ihrem Mobiltelefon statt. Der GPS-Sensor des Telefons liefert reale Koordinaten auf der Erdoberfläche, während seine Beschleunigungsmesser schnelle, kleine Bewegungen erfassen. Jedes hat Rauschen und Ungenauigkeit unterschiedlicher Art; Der Kalman-Filter kombiniert sie für das Beste aus beiden Welten. Fahren Sie zum Beispiel mit Ihrem Auto in einen Tunnel, und Sie verlieren das GPS, aber der Kalman-Filter erreicht immer noch eine ziemlich gute Koppelnavigation, bis Sie auf der anderen Seite herauskommen und einen neuen GPS-Fix erhalten.
Aber das ist nur der Anfang der Wirkung, die das Werk von Rudolf Kálmán auf die Welt haben wird. Innerhalb des nächsten Jahrzehnts wird der Kalman-Filter in Verbrauchertechnologien zum Einsatz kommen, die Ihr Leben auf ebenso tiefgreifende Weise verändern werden.
Dieselben Führungs- und Navigationsprobleme, mit denen Apollo-Ingenieure vor 50 Jahren konfrontiert waren – wie man Objekte in den Weiten des Weltraums genau lokalisiert – fordern Ingenieure heute heraus, wenn sie selbstfahrende Autos entwickeln, die sicher in intelligenten Städten navigieren können, Augmented-Reality-Computerspiele, und Roboterbegleiter für die Arbeit in der Fabrik und bei Ihnen zu Hause.
All diese Erfindungen erfordern zum Teil millimetergenaue, sogenannte Mikrolokalisierung, um sicherzustellen, dass Ihre selbstfahrenden Parkplätze in Ihrer Garage und nicht auf Ihrem Rasen parken, dass Ihr Virtual-Reality-Gaming-Headset Sie zum Fliegen bringt und nicht zum Kotzen bringt , und dass Ihr vertrauter Roboterbegleiter Kaffee in Ihre Tasse und nicht auf Ihren Schoß gießt. Das bedeutet Millionen und vielleicht Milliarden von Kalman-Filtern.
Aber dann ist da noch das Internet der Dinge, die mit Spannung erwartete Infrastruktur einer vernetzten, intelligenten Welt der Zukunft. Das Internet der Dinge wird Kalman-Filter in Billionen von intelligenten Objekten erfordern, um sie dorthin zu führen, wo und wann wir sie wollen, an unseren Arbeitsplätzen, in unseren Häusern und anderswo in unserem Leben.
Dann wird Kálmán vielleicht endlich zu Jobs, Gates und Zuckerberg als allgemein bekannter Name.
David Mindell ist Professor am MIT und Gründer von Humatics, einem Mikrostandortunternehmen aus Cambridge, Massachusetts, das den Kálmán-Filter verwendet. Frank Moss, ein Absolvent des MIT Instrumentation Laboratory, das die Apollo-Computer gebaut hat, ist ein ehemaliger Direktor des MIT Media Lab und Vorstandsmitglied bei Humatics.