Així què, que vol dir per una màquina, ser atlètica? Avui ensenyarem com el concepte d'atletisme pot ser aplicat a màquines, així com la recerca necessària per aconseguir-ho, amb l'ajuda d'aquestes màquines voladores que anomenem quadricòpters. O bé "quads", per escurçar.
So what does it mean for a machine to be athletic? We will demonstrate the concept of machine athleticism and the research to achieve it with the help of these flying machines called quadrocopters, or quads, for short.
Els quads porten inventats ja una bona temporada. El motiu pel qual se'n sent més a parlar aquests dies, és que són mecànicament molt simples. Controlant la velocitat d'aquests quatre rotors, aquestes màquines poden girar endavant i enrrere, cap als costats, sobre el seu eix, i accelerar en la direcció perpendicular als motors. Dins dels quads també hi va una bateria, un ordinador, diversos sensors, i dispositius de comunicacions ràdio.
Quads have been around for a long time. They're so popular these days because they're mechanically simple. By controlling the speeds of these four propellers, these machines can roll, pitch, yaw, and accelerate along their common orientation. On board are also a battery, a computer, various sensors and wireless radios.
Els quads són extremadament àgils, però amb un cost. Són intrínsecament inestables, i per tant necessiten algun tipus de control automàtic sobre la seva posició per poder volar.
Quads are extremely agile, but this agility comes at a cost. They are inherently unstable, and they need some form of automatic feedback control in order to be able to fly.
Què, com ha fet això? Les càmeres del sostre i un portàtil proporcionen un sistema de posicionament global en aquesta sala. Donen informació sobre la posició en l'espai d'objectes que porten aquestes boles reflectores. Aquestes dades s'envien a un altre portàtil que executa algorismes d'estimació i control i envia comandes al quad, que també executa els seus propis algorismes d'estimació i control. Per tant, la major part de la nostra recerca són algorismes. Són la màgia, que d'alguna manera, dóna vida a aquestes màquines.
So, how did it just do that? Cameras on the ceiling and a laptop serve as an indoor global positioning system. It's used to locate objects in the space that have these reflective markers on them. This data is then sent to another laptop that is running estimation and control algorithms, which in turn sends commands to the quad, which is also running estimation and control algorithms. The bulk of our research is algorithms. It's the magic that brings these machines to life.
Però com es poden dissenyar els algorismes que donen vida a aquests atletes mecanitzats? Fem servir tècniques que s'engloben en el que s'anomena disseny basat en model. Primer, capturem les relacions físiques amb un model matemàtic de com es comporten les màquines. Després fem servir una branca de les matemàtiques, que s'anomena teoria del control, per analitzar els models matemàtics, i generar algorismes per controlar els quads. Per exemple, així és com aconseguim que el quad es mantingui estable i pugui volar: Primer, capturem la dinàmica del problema amb un conjunt d'equacions diferencials. Després manipulem i aproximem aquestes equacions amb l'ajuda de la teoria de control per crear algorismes que estabilitzin el quad.
So how does one design the algorithms that create a machine athlete? We use something broadly called model-based design. We first capture the physics with a mathematical model of how the machines behave. We then use a branch of mathematics called control theory to analyze these models and also to synthesize algorithms for controlling them. For example, that's how we can make the quad hover. We first captured the dynamics with a set of differential equations. We then manipulate these equations with the help of control theory to create algorithms that stabilize the quad.
Deixeu-me que us demostri quan robusta és aquesta manera de procedir. Suposem que volem que aquest quad, no només voli ell mateix, sinó que també sigui capaç de carregar i mantenir estable aquesta vara. Amb una mica de pràctica, és fàcil per un humà fer-ho, tot i que nosaltres tenim l'avantatge de tenir els dos peus fixats a terra i utilitzar les nostres versàtils mans. És una mica més difícil quan s'intenta amb només un peu al terra i quan no faig servir les mans. Teniu en compte, però, que aquesta vara té una bola reflectora a la punta, i per tant pot ser localitzada en l'espai pel nostre sistema.
Let me demonstrate the strength of this approach. Suppose that we want this quad to not only hover but to also balance this pole. With a little bit of practice, it's pretty straightforward for a human being to do this, although we do have the advantage of having two feet on the ground and the use of our very versatile hands. It becomes a little bit more difficult when I only have one foot on the ground and when I don't use my hands. Notice how this pole has a reflective marker on top, which means that it can be located in the space.
(Aplaudiments)
(Audience) Oh!
(Applause)
Podreu veure que el quad fa petits ajustos que li permeten mantenir la vara estable. Com dissenyem els algorismes per fer-ho? Simplement afegim el model matemàtic de la vara al que ja fèiem servir del quad. Un cop tenim el model del sistema conjunt quad+vara, fem servir la teoria de control per crear els algorismes que controlin i estabilitzin el sistema. Ja esteu veient ara mateix que és estable, i encara més, si lo dono copets, torna cap a una posició còmoda i estable.
(Applause ends) You can notice that this quad is making fine adjustments to keep the pole balanced. How did we design the algorithms to do this? We added the mathematical model of the pole to that of the quad. Once we have a model of the combined quad-pole system, we can use control theory to create algorithms for controlling it. Here, you see that it's stable, and even if I give it little nudges, it goes back -- to the nice, balanced position.
També podem augmentar el model per especificar on exactament volem el quad dins l'espai de la sala. Fent servir aquest punter, fet de boles reflectores, puc apuntar a qualsevol lloc on hi vulgui posar el quad, a una distància fixa d'on sóc jo.
We can also augment the model to include where we want the quad to be in space. Using this pointer, made out of reflective markers, I can point to where I want the quad to be in space a fixed distance away from me.
La clau per aquestes maniobres acrobàtiques són els algorismes, dissenyats amb l'ajuda de models matemàtics i teoria de control. Diguem-li doncs al quad que vingui cap aquí, i deixi caure la vara, i així us podré demostrar la importància que té entendre els models físics i el funcionament del món físic. Observeu que el quad ha perd altura, quan hi he posat el got d'aigua a sobre. Però ara no he fet com amb la vara, no he inclòs el model matemàtic del got al sistema. De fet, el sistema no en té ni idea de què el got d'aigua hi és. Com abans, puc fer servir aquest punter per dir-li al quad on el vull en l'espai. (Aplaudiments)
(Laughter) The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory. Let's tell the quad to come back here and let the pole drop, and I will next demonstrate the importance of understanding physical models and the workings of the physical world. Notice how the quad lost altitude when I put this glass of water on it. Unlike the balancing pole, I did not include the mathematical model of the glass in the system. In fact, the system doesn't even know that the glass is there. Like before, I could use the pointer to tell the quad where I want it to be in space. (Applause)
(Applause ends)
Però, us hauríeu d'estar preguntant, perquè no es vessa l'aigua del got? Dos factors: Primer, la gravetat actua sobre tots els objectes de la mateixa manera. Segon, els propulsors sempre apunten cap a la mateixa direcció que el got, amunt. Si tenim en compte aquests dos factors, el resultat net és que totes les forces laterals en aquest got són molt petites, i són en gran part causades només per efectes aerodinàmics que es poden menysprear a aquestes velocitats. I aquest és el motiu pel qual no cal modelar el got. Simplement per les lleis de la física l'aigua no vessa sense importar què faci el quad.
Okay, you should be asking yourself, why doesn't the water fall out of the glass? Two facts. The first is that gravity acts on all objects in the same way. The second is that the propellers are all pointing in the same direction of the glass, pointing up. You put these two things together, the net result is that all side forces on the glass are small and are mainly dominated by aerodynamic effects, which at these speeds are negligible. And that's why you don't need to model the glass. It naturally doesn't spill, no matter what the quad does.
(Audience) Oh!
(Aplaudiments)
(Applause)
(Applause ends)
La lliçó a treure'n de tot això és que algunes tasques són més difícils que les altres, i que entendre la física del problema diu molt sobre quines són difícils i quines no. En aquest cas, portar un got d'aigua és fàcil, equilibrar la vara, és difícil.
The lesson here is that some high-performance tasks are easier than others, and that understanding the physics of the problem tells you which ones are easy and which ones are hard. In this instance, carrying a glass of water is easy. Balancing a pole is hard.
Tots hem sentit històries d'atletes aconseguint noves marques i proeses mentre estaven lesionats. Pot també una màquina rendir severament feta malbé? Convencionalment es creu que es necessiten com a mínim quatre propulsors fixes per tal de volar, perquè hi ha quatre graus de llibertat a controlar: balanç lateral, frontal, gir sobre l'eix i acceleració. Els hexacòpters i octocòpters, amb sis i vuit propulsors respectivament, proporcionen redundància, però els quadrocòpters són molt més populars perquè tenen el nombre mínim de propulsors fixes: quatre. O, és realment el mínim?
We've all heard stories of athletes performing feats while physically injured. Can a machine also perform with extreme physical damage? Conventional wisdom says that you need at least four fixed motor propeller pairs in order to fly, because there are four degrees of freedom to control: roll, pitch, yaw and acceleration. Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers, can provide redundancy, but quadrocopters are much more popular because they have the minimum number of fixed motor propeller pairs: four. Or do they?
(Audience) Oh!
Si analitzem el model matemàtic d'aquesta màquina, però només amb dos propulsors en funcionament, descobrim que encara existeix una manera poc convencional, però funcional, de fer-la volar. Prescindim de controlar el gir sobre l'eix central, però controlem encara les inclinacions frontal i lateral, i l'acceleració, amb algorismes que aprofiten el coneixement d'aquesta nova configuració. Els models matemàtics ens revelen exactament quan, i perquè això és possible. En aquest cas, aquest coneixement ens permet dissenyar arquitectures de màquines originals, o dissenyar algorismes intel·ligents que responen a les averies de forma eficient i elegant, tal i com els atletes humans fan, en lloc de necessitar redundància.
(Laughter) If we analyze the mathematical model of this machine with only two working propellers, we discover that there's an unconventional way to fly it. We relinquish control of yaw, but roll, pitch and acceleration can still be controlled with algorithms that exploit this new configuration. Mathematical models tell us exactly when and why this is possible. In this instance, this knowledge allows us to design novel machine architectures or to design clever algorithms that gracefully handle damage, just like human athletes do, instead of building machines with redundancy.
No podem evitar la sorpresa quan veiem un saltador olímpic fent un mortal per entrar a l'aigua, o el moment en què un gimnasta olímpic gira en l'aire, amb el terra apropant-se a alta velocitat. Aconseguirà entrar netament i apropiada a la piscina? Aconseguirà el gimnasta prendre terra en la posició adequada? Suposeu que volem que aquest quad faci tres voltes consecutives en l'aire i finalitzi al mateix precís lloc on ha començat. Aquesta maniobra ha de passar tant ràpid que no ens donarà temps de fer servir la informació de la posició per corregir el moviment mentre passa. Simplement, no hi ha prou temps. En lloc d'això, el que el quad pot fer is fer la maniobra primer a cegues, registrar on acaba, i després fer servir la informació obtinguda per modificar el seu comportament per tal de millorar el següent intent. Anàlogament al saltador o el gimnasta, és només a través de la pràctica i la repetició que la maniobra pot ser apresa i portada a terme amb la millor qualitat.
We can't help but hold our breath when we watch a diver somersaulting into the water, or when a vaulter is twisting in the air, the ground fast approaching. Will the diver be able to pull off a rip entry? Will the vaulter stick the landing? Suppose we want this quad here to perform a triple flip and finish off at the exact same spot that it started. This maneuver is going to happen so quickly that we can't use position feedback to correct the motion during execution. There simply isn't enough time. Instead, what the quad can do is perform the maneuver blindly, observe how it finishes the maneuver, and then use that information to modify its behavior so that the next flip is better. Similar to the diver and the vaulter, it is only through repeated practice that the maneuver can be learned and executed to the highest standard.
(Laughter)
(Aplaudiments)
(Applause)
Colpejar una pilota en moviment és una habilitat necessària en molts esports. Com fem que una màquina faci el que un atleta fa aparentment sense cap tipus d'esforç?
Striking a moving ball is a necessary skill in many sports. How do we make a machine do what an athlete does seemingly without effort?
(Laughter)
(Aplaudiment)
(Applause)
(Applause ends)
Aquest quad té una raqueta enganxada a la part superior amb una zona útil més o menys de la mida d'una poma, no gaire gran. Els càlculs següents es fan cada 20 milisegons, cinquanta cops per segon. Primer, descobrim on està anant la pilota. Després calculem com l'hauria de colpejar el quad per tal de que torni al punt des del qual ha sortit. En tercer lloc, es planeja la trajectòria que porta al quad des de la seva posició actual fins el punt d'impacte amb la pilota. Després, s'executen 20 milisegons de l'estratègia planificada. 20 milisegons després, el procés complert es repeteix fins que el quad entra en contacte amb la pilota.
This quad has a racket strapped onto its head with a sweet spot roughly the size of an apple, so not too large. The following calculations are made every 20 milliseconds, or 50 times per second. We first figure out where the ball is going. We then next calculate how the quad should hit the ball so that it flies to where it was thrown from. Third, a trajectory is planned that carries the quad from its current state to the impact point with the ball. Fourth, we only execute 20 milliseconds' worth of that strategy. Twenty milliseconds later, the whole process is repeated until the quad strikes the ball.
(Aplaudiment)
(Applause)
Les màquines no només poden portar a terme maniobres per si soles, sinó que ho poden fer de forma cooperativa. Aquests tres quads transporten cooperativament una xarxa.
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
(Aplaudiment)
(Applause)
(Applause ends)
Porten a terme una maniobra extremadament dinàmica i col·lectiva, per tal de tornar-me altre cop la pilota. Tingueu en compte que, en el moment d'extensió màxima de la xarxa, els quads estan en posició vertical. (Aplaudiment) De fet, quan la xarxa està completament estesa, la força que experimenten els quads és 5 cops més gran que la que sent un practicant de puenting al final de la seva caiguda.
They perform an extremely dynamic and collective maneuver to launch the ball back to me. Notice that, at full extension, these quads are vertical. (Applause) In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
Els algorismes que es fan servir per fer això són molt similars als que un sol quad fa per tornar-me la pilota. Els models matemàtics es fan servir per renovar l'estratègia, continuada i cooperativa, 50 vegades cada segon.
The algorithms to do this are very similar to what the single quad used to hit the ball back to me. Mathematical models are used to continuously re-plan a cooperative strategy 50 times per second.
Tot el que hem vist fins ara ha sigut sobre les màquines i les seves capacitats. Què passa quan combinem l'atletisme d'aquesta màquina amb el d'un ésser humà? El que tinc davant meu és un sensor comercial que detecta la meva gestualitat i que es fa servir actualment per a jocs. Pot reconèixer diferents parts del meu cos, i saber el què fan en temps real. Igual que el punter que abans feia servir, podem fer servir els meus gests com a entrades del sistema. Ara, per tant, disposem d'una manera natural d'interactuar amb l'atletisme d'aquests quads, tant sols amb els meus gests.
Everything we have seen so far has been about the machines and their capabilities. What happens when we couple this machine athleticism with that of a human being? What I have in front of me is a commercial gesture sensor mainly used in gaming. It can recognize what my various body parts are doing in real time. Similar to the pointer that I used earlier, we can use this as inputs to the system. We now have a natural way of interacting with the raw athleticism of these quads with my gestures.
(Aplaudiments)
(Applause)
La interacció no té perquè ser virtual, pot ser física. Per exemple, mireu aquest quad. s'intenta quedar quiet en un punt fix en l'espai. Si provo de moure'l del seu lloc, em contradiu, i es mou altre cop on vol ser. Podem canviar aquest comportament, però. Podem fer servir els models matemàtics per estimar la força que aplico sobre aquest quad. Un cop sabem aquesta força, podem canviar les lleis de la física, com a mínim pel que fa al quad. Aquí tenim el quad comportant-se com si fos dins d'un líquid viscós.
Interaction doesn't have to be virtual. It can be physical. Take this quad, for example. It's trying to stay at a fixed point in space. If I try to move it out of the way, it fights me, and moves back to where it wants to be. We can change this behavior, however. We can use mathematical models to estimate the force that I'm applying to the quad. Once we know this force, we can also change the laws of physics, as far as the quad is concerned, of course. Here, the quad is behaving as if it were in a viscous fluid. We now have an intimate way of interacting with a machine.
Ara, doncs, tenim una manera propera i natural d'interactuar amb la màquina. Utilitzaré aquesta nova capacitat per posicionar aquest quad i la seva càmera a la posició adequada per filmar el que queda d'aquesta demostració.
I will use this new capability to position this camera-carrying quad to the appropriate location for filming the remainder of this demonstration.
Bé, podem, per tant, interactuar amb aquest quads, i podem canviar les lleis de la física, pel que a ells respecta. Anem a passar-nos-ho bé una estona, doncs. Per la següent demostració, aquest quads es comportaran inicialment com si fossin a Plutó. A mesura que passa el temps, la gravetat s'incrementarà fins que siguem de nou al planeta Terra, però us asseguro que no arribaré fins aquí. Va, som-hi.
So we can physically interact with these quads and we can change the laws of physics. Let's have a little bit of fun with this. For what you will see next, these quads will initially behave as if they were on Pluto. As time goes on, gravity will be increased until we're all back on planet Earth, but I assure you we won't get there. Okay, here goes.
(Riures)
(Laughter)
(Riures)
(Laughter)
(Aplaudiments) Uff! Probablement esteu pensant, aquests s'ho passen massa bé, i us esteu preguntant perquè necessitem construir aquests atletes màquina. Alguns diuen que el paper dels jocs en el regne animal és practicar i desenvolupar noves habilitats. Altres pensen té un ús més social, que crea un sentiment de grup. Nosaltres fem servir l'analogia dels esports i l'atletisme per crear algorismes nous per màquines que les explotin fins als seus límits. Quin impacte tindrà la velocitat de l'evolució de les màquines en la nostra forma de viure? Com totes les nostres creacions i innovacions pasades aquests algorismes es poden utilitzar per millorar la condició humana o bé poden ser viciats i abusats per empitjorar-la. No és l'aspecte tècnic el que es discuteix, és el social. Si fem les decisions correctes, les decisions que treuen el millor del futur de les màquines, tal i com l'atletisme en fa dels esports, aquestes ens portaran cap al millor en nosaltres mateixos.
(Applause) Whew! You're all thinking now, these guys are having way too much fun, and you're probably also asking yourself, why exactly are they building machine athletes? Some conjecture that the role of play in the animal kingdom is to hone skills and develop capabilities. Others think that it has more of a social role, that it's used to bind the group. Similarly, we use the analogy of sports and athleticism to create new algorithms for machines to push them to their limits. What impact will the speed of machines have on our way of life? Like all our past creations and innovations, they may be used to improve the human condition or they may be misused and abused. This is not a technical choice we are faced with; it's a social one. Let's make the right choice, the choice that brings out the best in the future of machines, just like athleticism in sports can bring out the best in us.
Deixeu-me que us presenti els mestres bruixots que s'amaguen darrere aquestes proeses. Són els membres actuals del grup de recerca "Flying Machine Arena". (Aplaudiments) en Federico Augugliaro, en Dario Brescianini , en Markus Hehn, en Sergei Lupashin, en Mark Muller i en Robin Ritz. Mireu-los bé. Estan destinats a grans projectes.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team. (Applause) Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller and Robin Ritz. Look out for them. They're destined for great things.
Moltes gràcies.
Thank you.
(Aplaudiments)
(Applause)