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.
Alors, que signifie le concept d'athlétisme chez une machine ? Nous allons expliciter le concept d'entraînement sportif des machines et la recherche qui permet d'y arriver à l'aide de ces machines volantes appelées quadricoptères, ou quads, en abrégé.
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.
Les quads ne sont pas tout récents. La raison pour laquelle ils sont si populaires de nos jours est parce qu'ils sont simples, mécaniquement parlant. En controllant la vitesse de ces quatre hélices, ces machines peuvent tourner, s'incliner, faire des embardées et accélérer tout en gardant la même orientation. A bord, il y a aussi une batterie, un ordinateur, senseurs divers et radios sans fil.
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.
Les quads sont extrêmement agiles, mais cette agilité a un prix. Ils sont instables par nature, et ils ont besoin d'une sorte de contrôle automatique de rétroaction afin d'être capable de voler.
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.
Alors, comment vient-il de faire ça ? Des caméras sur le toit et un ordinateur portable servent de système global de positionnement d'intérieur. Cela sert à situer des objets dans l'espace qui auraient ces marques réfléchissantes sur eux. Ces données sont envoyées à un autre ordinateur qui fait des estimations et des algorithmes de contrôle, qui à son tour commande le quad, qui fait aussi des estimations et des algorithmes de contrôle. L'essentiel de notre recherche est basée sur les algorithmes. Ils sont la magie qui rend ces machines vivantes.
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.
Alors, comment fait-on pour concevoir des algorithmes qui font naître un athlète mécanique ? Nous utilisons quelque chose qui est généralement appelé la conception basée sur modèle. D'abord, nous saisissons les propriétés physiques à travers un modèle mathématique sur le comportement des machines. Nous utilisons ensuite une discipline des mathématiques appelée la théorie du contrôle afin d'analyser ces modèles et aussi de synthétiser les algorithmes pour les contrôler. Par exemple, c'est comme ça qu'on peut faire voltiger le quad. D'abord, nous avons saisi la dynamique grâce à un groupe d'équations différentielles. Nous manipulons ensuite ces équations à l'aide de la théorie du contrôle afin de créer des algorithmes qui stabilisent le 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.
Je vais vous démontrer la puissance de cette approche. Supposons que nous voulions non seulement faire voltiger ce quad mais aussi qu'il garde cette barre en équilibre. Avec un peu d'entraînement, c'est assez facile pour les être humains de faire cela, bien que nous ayons l'avantage d'avoir nos deux pieds au sol et de pouvoir utiliser nos mains très polyvalentes. Cela devient un peu plus difficile lorsque j'ai seulement un pied au sol et que je n'utilise pas mes mains. Remarquez la marque réfléchissante en haut de cette barre, ce qui signifie qu'elle peut être localisée dans l'espace.
(Audience) Oh!
(Applaudissements)
(Applause)
(Applause ends)
Vous pouvez remarquer que ce quad fait de minutieux ajustements
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.
afin de garder cette barre en équilibre. Comment avons-nous conçu les algorithmes pour faire cela ? Nous avons ajouté le modèle mathématique de la barre à celui du quad. Une fois que nous obtenons un modèle du système combiné quad-barre, nous pouvons utiliser la théorie du contrôle afin de créer des algorithmes pour le contrôler. Là, vous pouvez voir que c'est stable, et même si je la pousse un peu, elle retourne à une position joliment équilibrée.
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.
Nous pouvons également améliorer le modèle pour lui indiquer où nous voulons que le quad soit situé dans l'espace. En utilisant ce pointeur, fait de marques réfléchissantes, je peux indiquer où je veux déplacer le quad dans l'espace à une distance prédéfinie de moi.
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
La clé de ces manœuvres acrobatiques est l'algorithme, conçu à l'aide de modèles mathématiques et de la théorie du contrôle.
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.
Demandons au quad de revenir ici et de laisser la barre tomber, et je vais ensuite vous démontrer l'importance de comprendre les modèles physiques et le fonctionnement du monde physique. Remarquez que le quad perd de l'altitude lorsque je pose ce verre d'eau dessus. Contrairement au cas de la barre en équilibre, je n'ai pas inclus le modèle mathématique du verre dans le système. En fait, le système ne sait même pas que le verre d'eau est là. Comme dans le cas précédent, je pourrais utiliser le pointeur pour indiquer au quad où je veux qu'il aille dans l'espace.
(Applause)
(Applaudissements)
(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.
OK, vous devez vous demander, pourquoi l'eau ne tombe-t-elle pas du verre ? Deux faits : le premier est que la gravité agit de la même façon sur tous les objets. Le deuxième est que les hélices se dirigent toutes vers la même direction que le verre, vers le haut. Vous assemblez ces deux choses, le résultat est que toutes les forces latérales sur le verre sont faibles et sont majoritairement dominées par les effets aérodynamiques qui à cette vitesse sont insignifiants. Et c'est pourquoi vous n'avez pas besoin de modéliser le verre. Il est naturel que cela ne se renverse pas; peu importe ce que le quad fait.
(Audience) Oh!
(Applause)
(Applaudissements)
(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.
Ce que nous devons en retirer ici est que certaines tâches de haute performance sont plus faciles que d'autres, et que le fait de comprendre les propriétés physiques du problème vous indique lesquelles sont faciles et lesquelles sont difficiles. Dans cet exemple, porter un verre d'eau est facile. Garder une barre en équilibre est difficile.
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?
Nous avons tous entendu des histoires d'athlètes qui font des prouesses alors qu'ils sont physiquement blessés. Est-ce qu'une machine peut également être performante tout en étant physiquement endommagée? La pensée conventionnelle dit que vous avez besoin d'un minimum de quatre pairs fixes d'hélices motorisées afin que le quad puisse voler, car il y a quatre degrés de marge de manœuvre : tours, inclinaisons, embardées et accélérations. Les hexacoptères et les octocoptères, avec six et huit hélices, peuvent assurer de la redondance, mais les quadrocoptères sont bien plus populaires car ils ont un nombre limité de paires fixes d'hélices motorisées : quatre. Forcément ?
(Audience) Oh!
(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.
Si nous analysons le modèle mathématique de cette machine avec seulement deux hélices qui fonctionnent, nous découvrons un mode de vol peu conventionnel. Il faut renoncer à contrôler les embardées, mais les tours, inclinaisons et les accélérations peuvent toujours être contrôlées à travers des algorithmes qui utilisent cette nouvelle configuration. Les modèles mathématiques nous indiquent exactement quand et pourquoi cela est possible. Dans cet exemple, ces connaissances nous permettent de concevoir des nouvelles architectures de machines ou de concevoir des algorithmes intelligents qui peuvent supporter les dommages, avec la même grâce que les athlètes humains, au lieu de construire des machines avec de la redondance.
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.
Nous ne pouvons pas faire autrement que de retenir notre souffle lorsque nous regardons un plongeur faire un saut périlleux pour atterrir dans l'eau, ou lorsqu'un gymnaste fait des acrobaties en l'air, tout en voyant le sol se rapprocher rapidement. Est-ce que le plongeur réussira à plonger dans l'eau sans trop d'éclaboussures ? Est-ce que le gymnaste réussira à atterrir correctement ? Imaginez que nous voulions que ce quad réalise un triple flip et finisse à l'endroit exact où il avait commencé. Cette manoeuvre va être réalisée si rapidement que nous ne pourrons pas utiliser la rétroaction pour corriger le mouvement pendant la réalisation. Il n'y a tout simplement pas assez de temps. Au lie de ça, ce que le quad peut faire, c'est réaliser la manœuvre à l'aveugle, observer comment il finit la manœuvre, et utiliser ensuite ces informations pour modifier son comportement afin que le prochain flip soit mieux réalisé. De la même façon que le plongeur et le gymnaste, c'est seulement à travers un entraînement répété que la manoeuvre peut être assimilée et réalisée au plus haut niveau.
(Laughter)
(Applause)
(Applaudissements)
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?
Frapper une balle en mouvement est une compétence nécessaire dans de nombreux sports. Comment amène-t-on une machine à faire ce qu'un athlète fait de toute évidence sans effort ?
(Laughter)
(Applause)
(Applaudissements)
(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.
Ce quad a une raquette fixée sur sa tête, avec une zone de frappe idéale de la taille d'une pomme environ, donc pas vraiment grande. Les calculs suivants sont effectués chaque 20 millisecondes, soit 50 fois par seconde. D'abord, nous essayons de comprendre où va la balle. Ensuite, nous calculons comment le quad devrait la frapper pour qu'elle retourne à l'endroit exact d'où elle a été jetée. Troisièmement, on prévoit une trajectoire qui amène le quad de son point initial vers le point d'impact avec la balle. Quatrièmement, nous réalisons cette stratégie en seulement 20 millisecondes. Vingt millisecondes plus tard, le processus entier est répété jusqu'à ce que le quad frappe la balle.
(Applause)
(Applaudissements)
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
Les machines ne peuvent pas seulement réaliser des manoeuvres dynamiques seules, elles peuvent le faire collectivement. Ces trois quads sont en train de coopérer pour porter ce filet.
(Applause)
(Applaudissements)
(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.
Ils réalisent une manoeuvre extrêmement dynamique et collective pour me renvoyer la balle. Notez que, lorsqu'ils tendent le filet, ces quads sont verticaux.
(Applause)
(Applaudissements)
In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
En fait, lorsqu'ils étendent complètement le filet, cela revient à multiplier par cinq ce que ressent une personne à la fin d'un saut en bungee.
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.
Les algorithmes utilisés ici sont vraiment similaires à ceux utilisés précédemment pour que le quad me renvoie la balle. Les modèles mathématiques sont utilisés afin de recalculer continuellement une stratégie de coopération 50 fois par seconde.
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.
Tout ce que nous avons vu jusqu'ici concernait les machines et leur potentiel. Que se passe-t-il lorsque l'on associe cette sportivité des machines à celle des êtres humains ? Ce que j'ai en face de moi est un détecteur de mouvement disponible sur le marché et qui est principalement utilisé dans les jeux vidéos. Il peut reconnaître ce que font les différentes parties de mon corps en temps réel. Similaire au pointeur que j'ai utilisé précédemment, nous pouvons l'utiliser pour entrer des données dans le système. Nous avons maintenant une façon tout à fait naturelle d'interagir avec l’athlétisme pur de ces quads à travers mes gestes.
(Applause)
(Applaudissements)
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.
L'interaction n'a pas besoin d'être virtuelle. Elle peut être physique. Prenez ce quad par exemple. Il essaie de rester à un point fixe dans l'espace. Si j'essaye de le faire bouger, il me résiste, et revient se placer à l'endroit voulu. Il est toutefois possible de changer ce comportement. Nous pouvons utiliser des modèles mathématiques pour estimer la force que j'applique sur ce quad. Une fois que l'on connaît cette force, il est possible de changer les lois de la physique, se limitant au quad, bien entendu. Ici le quad se comporte comme s'il se retrouvait
We now have an intimate way of interacting with a machine.
dans un liquide visqueux.
I will use this new capability to position this camera-carrying quad to the appropriate location for filming the remainder of this demonstration.
Nous avons maintenant une façon privilégiée d'interagir avec une machine. Je vais utiliser cette nouvelle capacité pour positionner ce quad portant une caméra à un emplacement approprié afin de filmer le reste de cette démonstration.
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.
Alors, nous pouvons interagir physiquement avec ces quads et changer les lois de la physique. Amusons-nous donc un petit peu avec ceci. Vous allez voir ces quads se comporter tout d'abord comme s'ils étaient sur Pluton. Petit à petit, la gravité sera renforcée jusqu'à ce que nous retournions tous sur la planète Terre, mais je vous rassure, nous n'irons pas jusqu'au bout. Ok, on y va.
(Laughter)
(Rires)
(Laughter)
(Rires)
(Applause)
(Applaudissements)
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.
Ouf ! Vous êtes en train de penser, ces gars s'éclatent plus qu'ils ne devraient, et vous vous demandez peut-être aussi, mais pourquoi construisent-ils des machines athlètes ? Certains présument que le rôle du jeu dans le royaume animal est d'aiguiser les compétences et de développer des capacités. D'autres pensent que le jeu a plus un rôle social, qui est utilisé pour lier le groupe. De la même façon, nous utilisons l'analogie entre le sport et l'ambition athlétique pour créer de nouveaux algorithmes et pousser les machines jusqu'aux limites de leurs possibilités. Quel impact aura la vitesse des machines sur notre mode de vie ? Comme toutes nos créations et innovations passées, elles peuvent être utilisées pour améliorer la condition humaine ou alors on peut en abuser et les utiliser à mauvais escient. Nous ne sommes pas confrontés à un choix technique; mais à un choix social. Faisons le bon choix, le choix qui tire le meilleur de l'avenir des machines, exactement comme l'entraînement sportif dans le sport peut faire ressortir ce qu'il y a de mieux en nous.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Laissez-moi vous présenter les magiciens derrière le rideau vert. Ils sont membres de l'équipe de recherche Flying Machine Arena.
(Applause)
(Applaudissements)
Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller and Robin Ritz. Look out for them. They're destined for great things.
Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller et Robin Ritz. Gardez les à l'oeil. Ils sont destinés à de grandes choses.
Thank you.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)