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.
Mit jelent az, hogy atletikus egy gép esetében? A gépi atleticizmus szemléltetéséhez és a kapcsolódó kutatások áttekintéséhez a kvadrokopter nevű repülő szerkezetet -- röviden: a kvadot -- fogom példaként használni.
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.
A kvad nem új dolog. Mai nagy népszerűségét egyszerű mechanikai felépítésének köszönheti. A négy propeller sebességétől függően képes billenni, megdőlni, elfordulni és gyorsulni az eredeti állapotához képest. A kvad fedélzetén van egy telep, egy komputer, számos érzékelő és adó-vevő.
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.
A kvad rendkívül mozgékony, de ennek ára van: eredendően instabil. Ezért csak visszacsatolás és automatikus vezérlés segítségével képes repülni.
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.
Lássuk, hogy megy ez. A mennyezeti kamerák és egy laptop együttese afféle beltéri GPS-t alkot. Megállapítja azoknak a testeknek a térbeli helyzetét, amelyeken ilyen fényvisszaverő jelölések vannak. Ezeket az adatokat átküldi egy másik laptopra, mely közelítő és szabályozó algoritmusokat futtat. Ez a laptop utasításokat küld a kvadnak, amelyen szintén futnak közelítő és szabályozó algoritmusok. Nos, kutatásaink zöme algoritmusokról szól. Ez az a varázslat, mely életre kelti a kvadot.
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.
Hogyan lehet olyan algoritmust kreálni, amelytől a kvad gépi atlétává válik? A dolog alapját a modellalapú tervezés adja. Először is a gépviselkedés fizikáját lefordítjuk egy matematikai modellre. Azután a modellt a szabályozáselmélet matematikai eszközeivel elemezzük, és létrehozunk olyan algoritmusokat, amelyekkel szabályozható lesz a modell. A kvad lebegtetését például így oldottuk meg: Először is a dinamikát felírtuk egy differenciálegyenlet-rendszer segítségével. Ezután a felírt egyenleteket elkezdtük manipulálni a szabályozáselmélet segítségével, hogy olyan algoritmust kapjunk, mely a kvadot stabilizálni tudja.
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.
Hadd demonstráljam a módszer erejét egy példával. Tegyük fel, hogy nemcsak azt szeretnénk, hogy ez a kvad lebegjen, hanem azt is, hogy egyensúlyozni tudja ezt a pálcát. Mi, emberi lények, egy kis gyakorlattal, könnyedén elvégezzük ezt a feladatot -- persze előnyben vagyunk a kvaddal szemben, mert két lábon állunk a földön, és ügyes kezünk van. Kissé nehezebben megy a dolog, ha fél lábon állok, és nem a kezemet használom. Amint látják, a pálca tetején van egy fényvisszaverő jelzés, ami azt jelenti, hogy a térbeli helyzete megállapítható.
(Audience) Oh!
(Taps)
(Applause)
(Applause ends)
Figyeljék meg: a kvad finom korrekciókat végez,
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.
hogy a pálca egyensúlyban maradjon. Hogyan terveztük meg vajon az ehhez szükséges algoritmust? Egyszerűen: a pálca matematikai modelljét hozzáadtuk a kvadéhoz. Mihelyt megvan a kvad-pálca rendszer együttes modellje, a szabályozáselmélet segítségével algoritmust rendelhetünk hozzá. Amint látják, a rendszer stabil, és még ha lökdösöm is egy picit, akkor is visszaviszi a pálcát az egyensúlyi helyzetébe.
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.
A modellt kibővíthetjük azzal, hogy megmondjuk, melyik pontban legyen a kvad. Ha fogom ezt a fényvisszaverővel ellátott mutatót, akkor kijelölhetek egy fix távolságra lévő pontot, ahová a kvadot át akarom irányítani.
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
Az ilyen atlétikai mutatványok titka egy algoritmus, melyet valamilyen matematikai modellre építettek a szabályozáselmélet segítségével.
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.
Mondjuk meg a kvadnak, hogy jöjjön vissza ide, és hagyja leesni a pálcát. Most pedig érzékeltetni szeretném, milyen fontos megérteni a fizikai modelleket és a fizikai elvek működését. Figyeljék meg, hogy a kvad lejjebb ereszkedett, amikor rátettem a pohár vizet. Most ugyanis, a pálca-egyensúlyozással ellentétben, a pohár matematikai modelljét nem foglaltam bele a rendszerbe. Tehát a rendszer nem is sejti, hogy van itt egy pohár víz is. De ahogy az imént, a mutatóval most is jelezni tudom a kvadnak, hová menjen.
(Applause)
(Taps)
(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.
Most nyilván azon tűnődnek, hogyhogy nem löttyen ki a víz a pohárból. Két tényt említek. Először is, a gravitáció minden testre ugyanúgy hat. Másodszor, a propellerek tengelye párhuzamos a poháréval, vagyis alaphelyzetben felfelé mutat. Tekintsük a kettőt egyszerre: kiderül, hogy a pohárra ható oldalerők, melyekért főleg az aerodinamikai hatások felelősek, elhanyagolhatóan kicsik ekkora sebességeknél. Ezért nincs szükség a pohár modellezésére: a víz nem fog kilöttyenni, akárhogy mozog is a kvad.
(Audience) Oh!
(Applause)
(Taps)
(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.
Az a tanulság ebből, hogy a mutatványok egy része könnyebben megy a többinél, és hogy a probléma fizikájának megértése dönti el, hogy melyiket lesz egyszerűbb kivitelezni. Például az imént a pohár víz szállítása egyszerű volt, a pálca egyensúlyozása viszont nehéz.
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?
Mindannyian hallottunk már olyan atlétákról, akik fizikai sérülésük dacára sem adták fel a versenyt. Vajon egy súlyosan megrongálódott gép is képes működni? Józan eszünk azt súgja, hogy legalább négy rögzített motor-propeller együttes kell a repüléshez, mert a következő négy szabadsági fokot kell szabályozni: billenés, dőlés, elfordulás és gyorsulás. A hexakopter és az oktokopter -- 6, ill. 8 propelleres lévén -- redundanciát, magyarán tartalékot biztosít, de a kvadrokopter mégis sokkal népszerűbb, mert a minimális számú -- tehát 4 -- rögzített motor-propeller együttessel rendelkezik. Vagy kevesebb is elég?
(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.
Ha elemezzük a kvad matematikai modelljét, mindössze két működő propellerrel, kiderül, hogy rendhagyó módon is lehet működtetni. Le kell mondanunk ugyan az elfordulás szabályozásáról, de a billenés, dőlés és gyorsulás szabályozható marad, csak az új konfigurációhoz való algoritmust kell használni. A matematikai modell elárulja, hogy pontosan mikor és mért lehetséges ez. Ennek ismeretében képesek vagyunk újszerű géparchitektúrák kialakítására, ill. olyan okos algoritmusok létrehozására, melyek az emberi atlétákhoz hasonlóan viselik el a sérülést, és így nem kell redundanciát biztosító gépeket használni.
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.
Lélegzetvisszafojtva bámuljuk a vízbe szaltózó műugrót és a levegőben megforduló tornászt, miközben a talaj sebesen közeledik felé. Vajon az ugró csobbanás nélkül fog a vízben elmerülni? Vajon a tornász talajfogása tökéletes lesz? Mondjuk, hogy azt szeretnénk, ha ez a kvad itt egy tripla flipet hajtana végre, melyet pontosan ott kell befejeznie, ahol elkezdte. A manőver olyan gyorsan megy végbe, hogy a visszacsatolás és pályakorrekció nem működik. Egyszerűen nincs rá idő! Ezért a kvad "vakon" hajtja végre a mutatványt, megfigyeli, hogyan sikerült, majd ez alapján úgy módosítja a viselkedését, hogy a következő flip pontosabb legyen. Akárcsak a műugró és a tornász esetében, csakis a gyakorlás segítheti abban, hogy a manővert megtanulja és így a végrehajtás a lehető legjobban sikerüljön.
(Laughter)
(Applause)
(Taps)
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?
A mozgó labda eltalálása több sportban elvárt képesség. Hogy lehet elérni, hogy egy gép megcsinálja azt, amit egy sportoló látható könnyedséggel képes megtenni?
(Laughter)
(Applause)
(Taps)
(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.
Ennek a kvadnak egy ütőt szíjaztunk a fejéhez: az ütő optimális területe kb. alma nagyságú, tehát nem túl nagy. A következő számítást másodpercenként 50-szer kell elvégezni, vagyis 20 milliszekundumonként egyszer. Először is meg kell határozni, hogy merre megy a labda. Aztán azt kell kiszámolni, hogy üsse meg a kvad a labdát, hogy az arra repüljön, ahonnan jött. Harmadszor, ki kell számítani a kvad mozgáspályáját az adott helyétől addig a pontig, ahol elvileg ütközni fog a labdával. Negyedszer, 20 ms időtartamig követjük a kiszámolt stratégiát. Húsz milliszekundum múlva megismételjük az egészet, míg a kvad ténylegesen el nem éri a labdát.
(Applause)
(Taps)
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
A gépek tehát önállóan képesek dinamikai manőverezésre, sőt, képesek az együttműködésre is. Ez a három kvad közösen visz egy hálót.
(Applause)
(Taps)
(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.
Rendkívül dinamikus és összehangolt manőverezés szükséges ahhoz, hogy a labdát visszapasszolják nekem. Figyeljék meg: amikor a háló kifeszül, a kvadok kifelé fordulnak.
(Applause)
(Taps)
In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
Nem véletlen: amikor a háló kifeszül, a kvadok kb. az ötszörösét kapják annak a gyorsulásnak, amit a bungee-jumpingozó érez a zuhanás végén.
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.
A mutatvány algoritmusa nagyon hasonlít ahhoz, mint amikor egyetlen kvaddal üttetem vissza a labdát. A matematikai modell segítségével folyamatosan, azaz másodpercenként 50-szer újratervezzük a kooperatív stratégiát.
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.
Minden, amit eddig láttunk, gépekről és ezek képességeiről szólt. Mi történik akkor, ha a gépi atleticizmust összekapcsoljuk az emberivel? Ami előttem van, az egy kereskedelmi forgalomban lévő gesztikulációérzékelő, melyet főleg játékokhoz használnak. Ez valós időben képes felismerni, hogy mit csinálok a testem különböző részeivel. Ahogy korábban a mutató mozgatásával, úgy ezzel is adhatok jelzéseket a rendszernek. Így természetesebb kapcsolatot alakíthatok ki a kvad nyers atleticizmusával, mert csak gesztikulálnom kell.
(Applause)
(Taps)
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.
A kapcsolat nem okvetlenül virtuális -- lehet fizikai is. Tekintsük pl. ezt a kvadot. Megpróbál a tér egy adott pontjában maradni. Ha el akarom mozdítani a helyéről, ellenáll nekem, és visszamegy oda, ahol lenni szeretne. Ez a viselkedés azonban megváltoztatható. Matematikai modellt használhatunk annak az erőnek a becslésére, amellyel a kvadra hatok. Ha ismerem ezt az erőt, akkor megváltoztathatom a fizika törvényeit, de persze csak a kvadra vonatkozóan. Ez a kvad úgy viselkedik, mintha
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.
viszkózus folyadék venné körül. Ezáltal lehetőség van arra, hogy a géppel való kapcsolat simább legyen. Ezt az új lehetőséget arra fogom használni, hogy ezt a kamerahordozó kvadot arra a helyre mozgassam, ahonnan a demonstráció hátralévő részét filmeznie kell.
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.
Tehát fizikai kölcsönhatásba léphetünk a kvadokkal, és megváltoztathatjuk a fizika törvényeit. És most játsszunk egy kicsit. A következő mutatvány elején a kvadok úgy fognak viselkedni, mintha a Plútón lennének. Ahogy telik az idő, a gravitáció erősödni fog, míg vissza nem térünk a Földre, ahonnan persze el sem mozdulunk. Nos, vágjunk bele!
(Laughter)
(Nevetés)
(Laughter)
(Nevetés)
(Applause)
(Taps)
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.
Fhu! Most biztos azt gondolják, hogy ezek a fickók itt jól elszórakozgatnak; no meg azt, hogy mi szükség van gépi atlétákra. Egyeseknek az ugrik be, hogy az állatvilágban a játék szerepe a készségek csiszolása és a képességek fejlesztése. Mások arra gondolnak, hogy inkább közösségi szerepe van, vagyis a csoportok megerősítésére szolgál. A sport és az atleticizmus párhuzamát arra használjuk, hogy új algoritmusokat hozzunk létre, és így a gépeket a teljesítőképességük határáig fejlesszük. Milyen hatása lesz a gépek sebességének az életünkre? Az összes eddigi találmányhoz és innovációhoz hasonlóan hasznára is lehet a dolog az embernek, de vissza is lehet élni vele. A kérdés nem technikai természetű, hanem társadalmi. Egyetlen helyes választás létezik: kihozni a legjobbat abból, amit a gépek jövője tartogathat -- épp úgy, ahogy a sportban az atleticizmus segíthet kihozni a legjobbat önmagunkból.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Hadd mutassam be a zöld függöny mögött rejtőző varázslókat -- a Flying Machine Arena kutatócsoport jelenlegi tagjait!
(Applause)
(Taps)
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 és Robin Ritz. Jegyezzék meg őket. Szerintem hallani fognak még róluk.
Thank you.
Köszönöm.
(Applause)
(Taps)