Wann ist eine Maschine athletisch? Wir werden das Konzept von Maschinenathletik und die benötigte Forschung mit Hilfe dieser Fluggeräte, den Quadrocoptern oder kurz ›Quads‹, demonstrieren. Quads gibt es schon eine ganze Zeit. Sie sind heute so populär, weil sie mechanisch einfach sind. Durch die Steuerung der vier Propeller können diese Maschinen rollen, kippen, gieren und in alle gängigen Richtungen beschleunigen. Mit an Bord sind eine Batterie, ein Computer, verschiedene Sensoren und Funkgeräte. Quads sind extrem wendig, aber diese Wendigkeit hat ihren Preis. Sie sind von Natur aus instabil, und brauchen zum Fliegen eine Art automatische Rückkopplungsregelung. Wie hat er das gerade gemacht? Kameras an der Decke und ein Laptop dienen als ein Innenraum-GPS. Damit lassen sich Objekte im Raum, die solche Reflektoren besitzen, lokalisieren. Die Daten werden an einen weiteren Laptop mit Schätz- und Regelalgorithmen geschickt und von dort an den Quad, der ebenfalls solche Algorithmen ausführt. Wir forschen hauptsächlich an Algorithmen. Sie sind der Zauber, der diese Maschinen zum Leben erweckt. Wie entwirft man also Algorithmen, die eine Maschine so sportlich machen? Wir verwenden den sog. modellbasierten Ansatz. Zuerst bilden wir das physikalische Verhalten der Maschinen in einem mathematischen Modell ab. Dann analysieren wir diese Modelle mithilfe eines Teilgebiets der Mathematik, der Regelungstheorie, die dann automatisch die Algorithmen für deren Steuerung liefert. Ein Beispiel ist dieser schwebende Quad: Zuerst haben wir die Dynamik in mehreren Differentialgleichungen abgebildet, die wir dann mit Hilfe der Regelungstheorie verändern und so Algorithmen zur Stabilisierung des Quads bekommen. Ich will Ihnen die Stärken dieses Ansatzes zeigen. Nehmen wir an, der Quad soll zusätzlich zum Schweben noch diesen Stab balancieren. Mit etwas Übung ist das für Menschen eine machbare Aufgabe, wobei wir zu unserem Vorteil zwei Füße auf dem Boden und unsere sehr geschickten Hände haben. Ein bisschen schwieriger wird das mit nur einem Fuß auf dem Boden und ohne Hände. Der Stab hat an der Spitze einen Reflektor, so dass er im Raum lokalisiert werden kann. (Beifall)
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. 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. 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. 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. 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. 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. (Audience) Oh!
Man sieht, wie der Quad durch kleine Anpassungen den Stab im Gleichgewicht hält. Wie haben wir den Algorithmus dafür entworfen? Wir haben das mathematische Modell des Stabes dem des Quads hinzugefügt. Auf das verbundene Quad-Stab-System kann man wieder die Regeltheorie anwenden, um so Algorithmen für die Steuerung zu bekommen. Sie sehen, das System ist stabil, und selbst wenn ich ihm kleine Stupser gebe, geht es in eine schön ausbalancierte Position zurück. Wir können das Modell auch um eine gewünschte Position erweitern. Mit diesem Zeiger aus Reflektoren kann ich dahin zeigen, wo ich den Quad im Raum in einer festen Entfernung von mir haben will.
(Applause) (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. 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.
Der Schlüssel zu dieser Akrobatik sind Algorithmen, die mit Hilfe mathematischer Modelle und der Regelungstheorie entwickelt wurden. Jetzt soll der Quad hierher zurückkommen und den Stab fallen lassen. Als Nächstes will ich zeigen, wie wichtig das Verständnis physikalischer Modelle und deren Zusammenhänge in der physischen Welt ist. Man sieht, dass er an Höhe verliert, wenn ich dieses Glas Wasser draufstelle. Anders als bei dem Balancestab habe ich hier das Modell des Glases nicht in das System eingefügt. Eigentlich weiß das System gar nicht, dass das Wasserglas da ist. Wie zuvor kann ich den Quad mit dem Zeiger anweisen, wo im Raum ich ihn haben will. (Beifall)
(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)
An der Stelle fragt man sich: »Wieso fließt das Wasser nicht aus dem Glas?« Aus zwei Gründen: Zum einen wirkt die Schwerkraft auf alle Objekte gleich; zum anderen weisen alle Propeller in die gleiche Richtung wie das Glas, nach oben. Beides zusammen bewirkt, dass die Seitenkräfte auf das Glas klein und überwiegend aerodynamische Effekte sind, die man bei diesen Geschwindigkeiten vernachlässigen kann. Deshalb braucht man das Modell des Glases nicht einzufügen. Es wird nichts verschüttet, ganz gleich, was der Quad macht.
(Applause ends) 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.
(Beifall)
(Audience) Oh! (Applause)
Die Lehre, die wir daraus ziehen, ist, dass einige Hochleistungen einfacher sind als andere, und dass die Physik bei dem Problem einem sagt, was einfach und was schwierig ist. Hier zum Beispiel ist es leicht, ein Wasserglas zu befördern, aber schwierig, den Stab zu balancieren. Wir alle haben von Athleten gehört, die auch verletzt Meisterleistungen abliefern. Kann eine Maschine so etwas auch, selbst wenn sie schwer beschädigt ist? Herkömmlicherweise braucht man mindestens vier fest angebrachte, angetriebene Propellerpaare, um zu fliegen, weil es vier Freiheitsgrade gibt: Rollen, Kippen, Gieren und Beschleunigung. Hexacopter und Octocopter, mit sechs und acht Propellern, sind redundant, aber Quadrocopter sind viel beliebter, weil sie die kleinste Anzahl fest angebrachter, angetriebener Propellerpaare haben: vier. Oder doch nicht?
(Applause ends) 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. 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!
Das mathematische Modell dieser Maschine mit nur zwei intakten Propellern zeigt, dass es eine unkonventionelle Art gibt, sie zu fliegen. Wir verzichten auf das Gieren, steuern aber Rollen, Kippen und Beschleunigung durch Algorithmen, die wir aus der Auswertung dieser neuen Anordnung erhalten. Mathematische Modelle sagen uns genau, wann und wieso das möglich ist. Hier erlaubt uns dieses Wissen, neuartige Maschinenarchitekturen oder schlaue Algorithmen zu entwerfen, die mit Zerstörung genauso gut umgehen wie Athleten, statt Maschinen mit Redundanz bauen zu müssen. Uns stockt der Atem, wenn wir sehen, wie ein Turmspringer einen Salto ins Wasser macht, oder ein Stabhochspringer sich in der Luft verbiegt, und schnell dem Boden nahe kommt. Wird der Turmspringer glatt eintauchen? Wird der Stabhochspringer die Landung stehen? Dieser Quad hier soll einen dreifachen Salto machen und wieder da ankommen, wo er gestartet ist. Dieses Manöver passiert so schnell, dass wir während der Bewegung nicht rückkoppeln können – dazu ist einfach nicht genug Zeit. Stattdessen kann der Quad das Manöver blind fliegen, sich das Ergebnis anschauen und dann aus dieser Information lernen, so dass die nächste Rolle besser wird. Wie für die Springer gilt, dass das Manöver nur durch wiederholtes Üben gelernt und optimal ausgeführt werden kann.
(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. 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.
(Beifall) Bei vielen Sportarten muss man einen sich bewegenden Ball treffen können. Wie lässt man eine Maschine etwas tun, was für einen Athleten mühelos erscheint?
(Laughter) (Applause) 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?
(Beifall)
(Laughter) (Applause)
Dieser Quad hat einen Schläger auf dem Kopf montiert, dessen Schlagfläche nicht sehr groß ist, etwa apfelgroß. Alle 20 Millisekunden, also 50 mal pro Sekunde, berechnen wir Folgendes: Zuerst rechnen wir aus, wohin der Ball fliegt. Dann, wie der Quad den Ball schlagen soll, so dass er zum Werfer zurückfliegt. Drittens wird eine Flugbahn geplant, die den Quad von seiner Position zu seinem Aufschlagpunkt für den Ball bringt. Viertens: Wir befolgen diese Strategie nur 20 Millisekunden lang. Danach wird der Prozess so lange wiederholt, bis der Quad den Ball trifft. (Beifall) Maschinen können solche Manöver nicht nur alleine ausführen, sondern auch im Verbund. Diese drei Quads halten zusammen ein Netz in der Luft. (Beifall)
(Applause ends) 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. (Applause) Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net. (Applause)
Sie vollführen ein extrem dynamisches und aufeinander abgestimmtes Manöver, um mir den Ball zurückzuschießen. Sehen Sie – bei voller Ausdehnung stehen die Quads vertikal. (Beifall) Tatsächlich sind die Kräfte bei voller Ausdehnung etwa fünf mal so groß wie die, die ein Bungeespringer am Ende des Sprungs verspürt. Die nötigen Algorithmen sind denen für den einzelnen Quad, um den Ball zurückzuwerfen, sehr ähnlich. Man benutzt also mathematische Modelle, um die abgestimmte Strategie 50 mal pro Sekunde neu zu berechnen. Bis jetzt ging es uns um Maschinen und ihre Fähigkeiten. Was passiert, wenn wir diese Maschinenathletik mit der eines Menschen koppeln? Das hier ist ein normaler Gestenerkennungssensor, wie er bei Videospielen benutzt wird. Er erkennt in Echtzeit, was meine Körperteile gerade tun. Ähnlich wie den Zeiger vorhin können wir ihn als Eingabemedium benutzen. Jetzt haben wir eine natürliche Methode, die ungezähmte Athletik dieser Quads mit meinen Gesten zu steuern. (Beifall) Die Interaktion muss nicht virtuell bleiben, sie kann physisch werden. Nehmen wir diesen Quad hier. Er versucht, seine Position beizubehalten. Wenn ich versuche, ihn weg zu bewegen, setzt er sich zur Wehr und bewegt sich zu der Position zurück, die er beibehalten will. Aber wir können dieses Verhalten ändern. Mit mathematischen Modellen kann man die Kraft abschätzen, die auf den Quad wirkt. Damit können wir die Gesetze der Physik ändern – natürlich nur, insoweit sie den Quad betreffen. Hier verhält sich der Quad, als wäre er in einer zähen Flüssigkeit. Jetzt haben wir eine Methode, eng mit der Maschine zu interagieren. Damit kann ich diesen Quad so positionieren, dass er den Rest der Demonstration mit der montierten Kamera von oben filmen kann. Wir können also mit diesen Quads interagieren und die Gesetze der Physik ändern. Damit machen wir uns jetzt einen Spaß. Als Nächstes verhalten sich die Quads anfänglich, als wären sie auf dem Pluto. Mit der Zeit wird die Schwerkraft erhöht, bis wir wieder zurück auf der Erde sind, aber da kommen wir nie an. O. k., auf geht's. (Lachen) (Lachen) (Beifall) Uff! Sie denken jetzt sicher: »Die Typen haben zu viel Spaß«, und wahrscheinlich fragen Sie sich: »Warum bauen sie eigentlich Maschinenathleten?« Man vermutet, dass Tiere spielen, um Geschicklichkeit und Fertigkeiten zu entwickeln. Andere denken, es wirkt sozial und sorgt für den Gruppenzusammenhalt. Wir benutzen die Analogie zwischen Sport und Athletik, um neue Algorithmen zu entwickeln, die die Maschinen ausreizen können. Wie beeinflusst die Geschwindigkeit der Maschinen unser Leben? Wie alle menschlichen Erfindungen und Innovationen können sie das menschliche Leben verbessern – aber sie können auch missbraucht werden. Das ist keine technische Entscheidung – sondern eine soziale. Mit der richtigen Wahl schaffen wir für die Zukunft der Maschinen wie durch die Athletik im Sport bei uns die besten Ergebnisse. Jetzt zu den Zauberern hinter dem grünen Vorhang. Sie bilden das Flying-Machine-Arena-Forschungsteam. (Beifall) Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller und Robin Ritz. Aus denen wird noch mal etwas! Vielen Dank. (Beifall)
(Applause ends) 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. 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. 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. (Applause) 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. I will use this new capability to position this camera-carrying quad to the appropriate location for filming the remainder of this demonstration. 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. (Laughter) (Laughter) (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. 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. Thank you. (Applause)