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.
Cosa significa per una macchina, essere agile? Vi spiegheremo l'idea di agilità per una macchina e la ricerca che l'ha resa possibile, con l'aiuto di queste macchine volanti chiamate Quadrocopters o, in breve, Quad.
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.
I Quad esistono da diverso tempo, ma il motivo che li ha resi così famosi ora è che sono meccanicamente molto semplici. Controllando la velocità di queste quattro eliche, queste macchine possono ruotare lungo gli assi delle tre dimensioni dello spazio e accelerare. Sopra sono integrati una batteria, un computer, vari sensori e trasmettitori radio wireless.
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.
I Quad sono estremamente agili, ma questa agilità ha un prezzo. Sono intrinsecamente instabili e hanno bisogno di un controllo a feedback per essere in grado di volare.
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.
Come ha fatto? Ci sono delle fotocamere sul soffitto e un computer che assieme funzionano da GPS. In questo modo si riescono a localizzare oggetti nello spazio che hanno dei punti riflettenti. Questi dati sono inviati ad un altro computer che utilizza degli algoritmi di controllo e di stima e uno alla volta restituiscono dei commandi al Quad che a sua volta elabora queste stime. Il grosso del lavoro nella nostra ricerca sta negli algoritmi. È un po' la magia che dà vita a questo tipo di macchine.
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.
Ma come può la progettazione di un algoritmo rendere queste macchine così agili? Usiamo una progettazione comunemente chiamata 'model based design'. Con un modello matematico delineiamo il comportamento fisico delle macchine. Poi usiamo un ramo della matematica chiamato 'teoria del controllo' per analizzare questi modelli e sintetizzare in algoritmi in grado di controllarle. Per esempio, è così che riusciamo a far rimanere fermi in volo i Quad. Prima modelliamo la dinamica, con un insieme di equazioni differenziali Poi le elaboriamo grazie alla teoria del controllo per creare algoritmi che lo stabilizzino.
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.
Vi dimostro la forza di questo approccio. Immaginiamo non solo di voler tenere fermo in volo il Quad ma di fargli tenere in equilibrio quest'asta. Con un po' di esercizio, è abbastanza semplice farlo per un essere umano Inoltre noi abbiamo il vantaggio di avere due piedi per terra, e un uso molto versatile delle nostre mani. Diventa un po' più difficile quando ho solo un piede per terra e non uso le mani. L'asta ha dei segni riflettenti sulla sommità, il che la rende localizzabile nello spazio.
(Audience) Oh!
(Applausi)
(Applause)
(Applause ends)
Riuscite a vedere che il Quad sta effettuando una precisa regolazione per tenere l'asta in equilibrio.
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.
Come siamo riusciti a progettare un algoritmo in grado di fare questo? Abbiamo aggiunto il modello matematico dell'asta a quello del Quad. Una volta creato il modello del sistema composto da Quad e asta assieme, possiamo creare degli algoritmi in grado di controllarlo. Vedete che è stabile e anche dandogli dei colpetti ritorna in posizione d'equilibrio.
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.
Possiamo anche estendere il modello in modo da poter decidere la posizione del Quad nello spazio. Usando questo indicatore, fatto di marcatori riflettenti, posso decidere la direzione nella quale voglio che vada il Quad ad una certa distanza da me.
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
La chiave per queste manovre acrobatiche sono gli algoritmi sviluppati con l'aiuto del modelli matematici e della teoria del controllo.
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.
Riportiamo il Quad indietro e lasciamo cadere l'asta. Ora vi dimostrerò l'importanza della comprensione del modello fisico e delle dinamiche del mondo reale. Vedete che il Quad si è abbassato quando ci ho messo sopra il bicchiere d'acqua. In questo caso, a differenza del caso dell'asta, nel modello matematico non ho incluso il bicchiere nel sistema. Infatti il sistema non sa che il bicchiere d'acqua si trova lì. Come prima, uso il puntatore per indicare al Quad dove voglio che vada.
(Applause)
(Applausi)
(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, vi dovreste stare chiedendo perché l'acqua non cada fuori dal bicchiere. Ci sono due motivi: il primo è che la gravità agisce su tutti gli oggetti allo stesso modo. Il secondo è che le eliche puntano nella stessa direzione del bicchiere, ossia verso l'alto. Mettete insieme le due cose, e il risultato è che le forze laterali sul bicchiere sono molto piccole e sono principalmente dominate da effetti areodinamici che a queste velocità sono trascurabili. E questo è il motivo per cui non è necessario inserire il bicchiere nel sistema. Non ne esce una goccia qualunque cosa faccia il Quad.
(Audience) Oh!
(Applause)
(Applausi)
(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.
Quello che c'è da capire è che alcune prestazioni elevate sono più facili di altre e che capire la fisica che c'è dietro al problema ci dice quali sono facili e quali difficili. In questo caso, portare un bicchiere d'acqua è facile e tenere in equilibrio un'asta è 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?
Tutti abbiamo sentito storie di atleti che hanno compiuto grandi prodezze mentre erano infortunati. E una macchina può fare altrettanto, in caso di danni fisici? La convinzione comune è che abbiamo bisogno di almeno quattro eliche a motore accoppiate assieme per volare e questo perché ci sono quattro gradi di liberta nel controllo ruotare nelle tre dimensioni e accelerare. Gli Hexacopter e gli Octocopter hanno sei e otto eliche che sono più di quelle che servirebbero ma i <i>Quadrocopter</i> sono molto più popolari proprio perché hanno il numero minimo di eliche a motore: quattro. O no?
(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.
Se analizziamo il modello matematico di queste macchine con solo due eliche funzionanti, scopriamo che utilizzano un modo non convenzionale di volare. Abbiamo perso il controllo attorno all'asse verticale ma lungo gli altri due assi e in accelerazione possono ancora essere controllati con algoritmi che cercano di trarre vantaggio proprio da questa nuova configurazione. I modelli matematici ci dicono esattamente quando e perché questo è possibile In questo caso, saperlo ci permette di creare un'architettura insolita per una macchina o elaborare algoritmi intelligenti che gestiscono con eleganza il danno subito proprio come fa un'atleta, invece di costruire robot con una dotazione eccessiva.
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.
Non possiamo fare a meno di trattenere il fiato quando vediamo un tuffo in acqua con salto mortale o quando un ginnasta volteggia nell'aria e si avvicina rapido a terra. Il tuffatore ce la farà a fare un'entrata pulita in acqua? E il ginnasta farà un atterraggio fermo? Proviamo a far eseguire al Quad un salto triplo, tornando nel punto esatto dove ha cominciato. La manovra avverrà in modo talmente veloce che non si può fare feedback per correggerla durante l'esecuzione. Semplicemente non c'è abbastanza tempo per farlo. Invece, quello che il Quad può fare è eseguire la manovra senza controllo esterno e quando ha finito possiamo vedere com'è andata, e usare quest'informazione per migliorare il suo comportamento in modo da migliorare i salti successivi. In modo molto simile al tuffatore e al ginnasta è solo una questione di pratica e la manovra può essere imparata ed eseguita fino ad avere risultati migliori.
(Laughter)
(Applause)
(Applausi)
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?
In molti sport è necessario saper colpire una palla in movimento. Come possiamo far eseguire ad un robot quello che un atleta riesce a fare apparentemente senza sforzo?
(Laughter)
(Applause)
(Applausi)
(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.
Il Quad ha una racchetta fissata sulla sommità con il punto ottimale delle dimensioni all'incirca di una mela, quindi non molto grande. Per effettuare la mossa che vediamo ora, l'elaborazione è fatta ogni 20 millisecondi o 50 volte al secondo. Prima cerchiamo di capire dove sta andando la palla. Poi calcoliamo come il Quad dovrebbe colpirla facendolo volare nella direzione dove è stata tirata la palla. Terzo, viene calcolata una traiettoria che porta il Quad dalla sua posizione attuale al punto dell'impatto con la palla. Quarto, abbiamo solo 20 millisecondi in cui è valida questa strategia. Venti millisecondi dopo, l'intero processo viene ripetuto fino a che il Quad batte la palla.
(Applause)
(Applausi)
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
Queste macchine non riescono ad eseguire manovre dinamiche soltanto da sole ma riescono a farlo anche assieme ad altre. Questi tre Quad stanno sostenendo questa rete assieme
(Applause)
(Applausi)
(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.
Stanno eseguendo una manovra collettiva ed estremamente dinamica per lanciarmi indietro la palla tutti assieme. Nella loro massima estensione, i Quad si mettono in posizione verticale.
(Applause)
(Applausi)
In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
Infatti quando la rete è completamente estesa, è più o meno cinque volte quello che sente una persona che pratica bungee jumping alla fine del lancio.
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.
Gli algoritmi in grado di fare queste cose sono molto simili a quelli che il Quad usa quando mi rilancia la palla da solo. I modelli matematici riescono ad aggiornare la strategia dei Quad che agiscono cooperativamente 50 volte al secondo.
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.
Tutto quello che avete visto finora è reso possibile dalle macchine e dalle loro abilità. Che succede quando associamo l'agilità di queste macchine agli esseri umani? Di fronte a me c'è un comune sensore di movimento usato per riconoscere i gesti durante il videogioco. Può riconoscere diverse parti del corpo in tempo reale. Come per la bacchetta che ho usato prima, possiamo usare il sensore come input del sistema. Così avremo un modo più naturale per far interagire i Quad con i miei movimenti.
(Applause)
(Applausi)
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'interazione non deve essere per forza virtuale. Può essere fisica. Prendete questo quad, per esempio. Sta cercando di stare in un punto fisso nello spazio. Se provo a spostarlo dalla sua posizione, oppone resistenza e ritorna a stare dove voleva essere. Ma noi siamo in grado di modificare questo comportamento. Possiamo usare dei modelli matematici per calcolare la forza che devo applicare al Quad. Quando conosciamo questa forza, possiamo anche cambiare le leggi della fisica, per quanto riguarda il Quad, ovviamente. Ecco, qui il quad si sta comportando come se fosse in un fluido viscoso.
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.
Ora abbiamo un modo intimo di interagire con una macchina. Userò questa nuova funzionalità per posizionare questo Quad che trasporta una videocamera, nella posizione appropriata per le riprese del resto di questa dimostrazione.
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.
Così siamo in grado di interagire fisicamente con questi quad e siamo in grado di cambiare le leggi della fisica. Divertiamoci un po' con questo. Per ciò che vedrete tra poco, questi quad inizialmente si comporteranno come se fossero su Plutone. Con lo scorrere del tempo, la gravità verrà aumentata fino a quando non saremo tutti tornati sulla Terra. Ma vi assicuro che non arriveremo lì. Ok, iniziamo.
(Laughter)
(Risate)
(Laughter)
(Applausi)
(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.
Probabilmente adesso starete pensando che questi ragazzi si divertono davvero troppo e probabilmente vi state anche chiedendo, qual è il vero motivo per cui stanno costruendo macchine agili? Alcuni ipotizzano che il ruolo del gioco nel regno animale sia quello di affinare le competenze e sviluppare le capacità. Altri pensano che abbia più un ruolo sociale, usato per creare coesione. In modo analogo, noi sfruttiamo l'analogia fra sport e agilità, per creare nuovi algoritmi per le macchine, con l'intento di spingerle al limite. Quale impatto avrà la velocità delle macchine sul nostro modo di vivere? Come tutte le nostre passate creazioni e innovazioni, potrebbero migliorare le condizioni di vita umane o potrebbero essere usate impropriamente ed abusate. Non ci troviamo di fronte a una scelta tecnica, ma sociale. Facciamo la scelta giusta, la scelta che tira fuori il meglio per il futuro delle macchine, proprio come l'agilità nello sport può tirare fuori il meglio di noi.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Lasciate che vi presenti le menti dietro tutto questo. Sono i ricercatori del Flying Machine Arena research team.
(Applause)
(Applausi)
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 e Robin Ritz. Seguiteli. Faranno grandi cose.
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)