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.
Wat betekent het voor een machine om atletisch te zijn? We zullen het concept van machine-atletiek demonstreren evenals het onderzoek om het te bereiken met behulp van deze vliegmachines, quadrocopters of korter quads genaamd.
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 zijn er al een hele tijd. Hun tegenwoordige populariteit hebben ze te danken aan hun eenvoudige mechanica. Door het controleren van de snelheden van deze vier schroeven, kunnen deze machines rollen, stampen, gieren en versnellen langs hun gemeenschappelijke richting. Ze hebben ook nog een batterij, een computer, diverse sensoren en radio's aan boord.
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.
Quads zijn uiterst wendbaar, maar deze flexibiliteit heeft haar prijs. Ze zijn inherent instabiel en een vorm van automatische terugkoppelingscontrole is nodig om te kunnen vliegen.
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.
Hoe deed hij dit? Camera's op het plafond en een laptop dienen als een overdekt global positioning system. Het wordt gebruikt om objecten te lokaliseren in de ruimte door middel van die reflecterende merkpunten. Deze gegevens wordt vervolgens verzonden naar een andere laptop die schattings- en controlealgoritmen uitvoert en op zijn beurt commando's naar de quad stuurt die ook schattings- en controlealgoritmen uitvoert. Het grootste deel van ons onderzoek gaat over algoritmen. Dat is de magie die deze machines tot leven brengt.
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.
Maar hoe ontwerp je algoritmen om een machine-atleet te maken? In grote lijnen door wat we modelgebaseerd ontwerp noemen. Wij leggen eerst de fysica vast in een wiskundig model van hoe deze machines zich gedragen. We gebruiken een deelgebied van de wiskunde, regeltechniek genoemd, voor het analyseren van deze modellen en ook voor het opstellen van algoritmen om ze te controleren. Zo laten we de quad bijvoorbeeld zweven. We leggen de dynamica vast in een set differentiaalvergelijkingen. Dan manipuleren we deze vergelijkingen met behulp van regeltechniek om algoritmen te maken die de quad stabiliseren.
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.
Ik toon even de mogelijkheden van deze aanpak. Stel dat we deze quad niet alleen willen laten zweven, maar ook nog deze stok in evenwicht houden. Met een beetje oefening heeft een mens daar geen probleem mee. Maar wij hebben het voordeel van twee voeten op de grond en zeer veelzijdige handen. Dit wordt een beetje moeilijker Ik heb slechts één voet op de grond en ik gebruik mijn handen niet. Let op de reflecterende markering bovenaan de stok. Daardoor wordt hij gelokaliseerd in de ruimte.
(Audience) Oh!
(Applaus)
(Applause)
(Applause ends)
Merk de fijne correcties op
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.
om de stok in evenwicht te houden. Hoe ontwierpen we de algoritmen hiervoor? Wij combineerden het mathematisch model van de stok met dat van de quad. Wij combineerden het mathematisch model van de stok met dat van de quad. Zodra we een model hebben van het gecombineerde quad-stok-systeem kunnen we met regeltechniek algoritmen maken om te controleren. Je kunt zien dat het stabiel is, zelfs als ik er kleine duwtjes tegen geef, komt het terug naar de evenwichtspositie.
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.
We kunnen het model ook uitbreiden met waar we de quad willen hebben in de ruimte. Met behulp van deze aanwijzer met reflecterende markeringen kan ik aanwijzen waar ik de quad wil hebben in de ruimte op een vaste afstand van mij.
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
De sleutel tot deze acrobatische manoeuvres zijn algoritmen ontworpen met behulp van wiskundige modellen en regeltechniek.
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.
Laten we de quad terugroepen en de stok laten zakken. Vervolgens zal ik het belang aantonen van het begrip van fysische modellen en de werking van de fysische wereld. Merk op hoe de quad hoogte verloor toen ik dit glas water erop zette. In tegenstelling tot de balanceerstok heb ik het wiskundige model van het glas niet in het systeem opgenomen. In feite weet het systeem niet eens dat het glas water er is. Net zoals daarstraks kan ik de aanwijzer gebruiken om de quad te vertellen waar ik hem wil hebben in de ruimte.
(Applause)
(Applaus)
(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.
Je zou je moeten afvragen: waarom valt het water niet uit het glas? Je zou je moeten afvragen: waarom valt het water niet uit het glas? Twee redenen: ten eerste werkt de zwaartekracht op alle objecten op dezelfde manier. Ten tweede wijzen alle schroeven in dezelfde richting als het glas, omhoog dus. Het netto resultaat van deze twee dingen samen is dat alle zijdelingse krachten op het glas klein zijn en vooral gedomineerd worden door aërodynamische effecten, die bij deze snelheden te verwaarlozen zijn. Daarom hoef je het glas niet in het model op te nemen. Uit zichzelf morst het niet, wat de quad ook doet.
(Audience) Oh!
(Applause)
(Applaus)
(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.
De les hieruit is dat sommige ingewikkelde taken gemakkelijker zijn dan andere, en dat het inzicht in de fysica van het probleem je vertelt welke gemakkelijk en welke moeilijk zijn. In dit geval is het dragen van een glas water eenvoudig. En een stok balanceren moeilijk.
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?
We hebben allemaal al verhalen gehoord van atleten die prestaties verrichtten nadat ze fysiek gewond waren geraakt. Kan een machine haar taak ook uitvoeren met extreme fysieke schade? Conventionele wijsheid zegt je dat je ten minste vier vaste motor-propellerparen nodig hebt om te vliegen, omdat er vier graden van vrijheid gecontroleerd moeten worden: rollen, stampen, gieren en versnelling. Hexacopters en octocopters, met zes en acht schroeven, kunnen redundantie bieden, maar quadrocopters zijn veel meer in trek omdat ze het minimum aantal vaste motor-propellerparen hebben: vier. Is dat wel zo?
(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.
Als we het mathematisch model van deze machine analyseren met slechts twee werkende schroeven ontdekken we dat er een onconventionele manier bestaat om te vliegen. Gieren controleren lukt niet meer, maar rollen, stampen en versnelling kunnen nog steeds worden gecontroleerd met algoritmes die gebruik maken van deze nieuwe configuratie. Wiskundige modellen vertellen ons precies wanneer en waarom dit mogelijk is. In dit geval laat deze kennis ons toe nieuwe machinearchitecturen of slimme algoritmen te ontwerpen die elegant de schade kunnen ondervangen, net zoals menselijke atleten dat doen, in plaats van machines met redundantie te bouwen.
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.
Vanzelf houden we onze adem in wanneer we kijken naar een duiker die een dubbele schroef maakt of wanneer een hoogspringer een salto maakt in de lucht, terwijl de grond op hem af komt. Zal de duiker mooi het water raken? Zal de hoogspringer goed neerkomen? Stel dat we willen dat deze quad hier een drievoudige salto uitvoert en op exact dezelfde plek neerkomt als waarvan hij vertrok. Deze manoeuvre gaat zo snel dat we geen positiefeedback kunnen gebruiken om de beweging tijdens de uitvoering te corrigeren. Er is gewoon niet genoeg tijd. De quad kan dit manoeuvre blindelings uitvoeren, observeren hoe hij eindigt en die informatie gebruiken om het gedrag aan te passen zodat zijn volgende salto beter is. Vergelijkbaar met de duiker en de hoogspringer kan de manoeuvre alleen door middel van herhaalde praktijk worden geleerd en uitgevoerd tot de hoogste norm.
(Laughter)
(Applause)
(Applaus)
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?
Een bewegende bal raken, is een noodzakelijke vaardigheid in vele sporten. Hoe laten we een machine doen wat een atleet schijnbaar zonder moeite kan?
(Laughter)
(Applause)
(Applaus)
(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.
Deze quad heeft een racket op zijn kop met een ‘sweet spot’ ongeveer ter grootte van een appel, niet al te groot dus. De volgende berekeningen gebeuren elke 20 milliseconden of 50 keer per seconde. Eerst bepalen we waar de bal naartoe gaat. Dan berekenen we hoe de quad de bal moet raken zodat hij terugkeert naar zijn uitgangspunt. Ten derde wordt een baan bepaald die de quad van zijn huidige positie naar het raakpunt met de bal brengt. Ten vierde voeren we alleen maar 20 milliseconden van die strategie uit. Twintig milliseconden later wordt het hele proces herhaald totdat de quad de bal raakt.
(Applause)
(Applaus)
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
Machines kunnen niet alleen op zichzelf dynamische manoeuvres uitvoeren, ze kunnen het ook samen doen. Deze drie quads dragen coöperatief een vangnet.
(Applause)
(Applaus)
(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.
Zij voeren een uiterst dynamisch en collectief manoeuvre uit om de bal terug naar mij te gooien. Merk op dat deze quads bij volledige uitrekking verticaal staan.
(Applause)
(Applaus)
In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
In feite voelen ze bij volledige uitrekking een ongeveer vijf keer grotere kracht dan een bungeespringer aan het einde van zijn val.
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.
Deze algoritmen zijn zeer vergelijkbaar met die van de enkele quad om de bal naar mij terug te slaan. Wiskundige modellen worden gebruikt om continu 50 keer per seconde een coöperatieve strategie te herplannen.
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.
Alles wat we tot nu toe hebben gezien, ging over de machines en hun mogelijkheden. Wat gebeurt er als we deze machine-atletiek met die van een mens koppelen? Ik heb hier een commerciële gebarensensor voornamelijk gebruikt bij het gamen. Hij herkent wat mijn verschillende lichaamsdelen in real time doen. Vergelijkbaar met de aanwijzer die ik al eerder gebruikte, kunnen we dit gebruiken als input voor het systeem. We hebben nu een natuurlijke manier van interactie van de ruwe atletiek van deze quads met mijn gebaren.
(Applause)
(Applaus)
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.
Interactie hoeft niet virtueel te zijn. Het kan ook fysiek. Neem bijvoorbeeld deze quad. Hij probeert om op een vast punt in de ruimte te blijven. Als ik hem probeer te verplaatsen, vecht hij tegen en gaat terug naar waar hij wil zijn. We kunnen dit gedrag echter wijzigen. Met wiskundige modellen kunnen we de kracht schatten die ik uitoefen op de quad. Zodra we deze kracht kennen, kunnen we ook de wetten van de fysica veranderen. Die van de quad, natuurlijk. Hier gedraagt de quad zich alsof hij
We now have an intimate way of interacting with a machine.
in een kleverige vloeistof zit.
I will use this new capability to position this camera-carrying quad to the appropriate location for filming the remainder of this demonstration.
We hebben nu een intieme manier van interactie met een machine. Ik gebruik nu deze nieuwe mogelijkheid om deze quad-met-camera op de juiste locatie te plaatsen om de rest van deze demonstratie te filmen.
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.
We kunnen nu fysiek met deze quads communiceren en de wetten van de fysica veranderen. Laten we daar eens een beetje lol mee maken. Deze quads gaan zich gedragen alsof ze op Pluto zijn. Geleidelijk aan zal de zwaartekracht toenemen totdat we allemaal terug op de Aarde zijn. Maar ik verzeker jullie dat we er niet zullen geraken. Oké, hier gaan we.
(Laughter)
(Gelach)
(Laughter)
(Gelach)
(Applause)
(Applaus)
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.
Oef! Jullie denken nu allemaal zeker dat deze jongens veel te veel plezier hebben. Waarschijnlijk vraag je jezelf ook af waarom ze eigenlijk die machine-atleten maken. Sommigen vermoeden dat spelen in het dierenrijk dient om vaardigheden aan te scherpen en vermogens te ontwikkelen. Anderen zien er meer een sociale rol in voor het versterken van de groepsbinding. Zo gebruiken wij de analogie met sport en atletiek voor het maken van nieuwe algoritmen voor machines om ze tot hun uiterste mogelijkheden te dwingen. Welke gevolgen zal de snelheid van machines hebben op onze manier van leven? Zoals onze vroegere creaties en innovaties kunnen ze worden gebruikt ter verbetering van het menselijk bestaan, maar ze kunnen ook worden misbruikt. Het is geen technische keuze waar wij mee worden geconfronteerd, maar een sociale keuze. Laten we de juiste keuze maken, de keuze die het beste haalt uit de toekomst van de machines, net zoals atletiek in de sport het beste uit ons kan halen.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Laat me jullie de tovenaars achter de schermen voorstellen. Het zijn de huidige leden van het onderzoeksteam Flying Machine Arena.
(Applause)
(Applaus)
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 en Robin Ritz. Hou ze in de gaten. Ze zijn voorbestemd voor grote dingen.
Thank you.
Bedankt.
(Applause)
(Applaus)