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.
Co to znaczy, że maszyna jest wysportowana? Zaprezentujemy ideę wysportowanych maszyn i stan badań nad nimi przy pomocy latających maszyn zwanych kwadrokopterami.
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.
Są znane od dawna, a ostatnio bardzo popularne, bo są proste w budowie. Kontrolując szybkość czterech śmigieł, mogą wzbijać się, spadać, kręcić i przyspieszać w danym kierunku. Mają baterię, komputer, czujniki i bezprzewodowe odbiorniki.
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.
Kwadrokoptery są zwinne, ale pewnym kosztem. Są z natury niestabilne, więc potrzebują pomocy automatów, żeby latać.
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.
Jak on to zrobił? Kamery na suficie i laptop działają jako system pozycyjny. Używamy go do lokalizowania obiektów, mających odblaskowe wskaźniki. Dane wysyłane są do laptopa, przeliczającego algorytmy szacujące i sterujące, który wysyła polecenia do maszyny, która także prowadzi obliczenia. Badamy głównie algorytmy. To magia pobudzająca maszyny do życia.
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.
Jak napisać algorytm który stworzy maszynę-sportowca? Używamy projektowania opartego na wzorcach. Ujmujemy modelem matematycznym zachowanie danej maszyny. Posługując się teorią sterowania, analizujemy wzorce i opracowujemy algorytmy sterujące. Tak powodujemy uniesienie się maszyny. Opisaliśmy dynamikę ruchu zestawem równań różniczkowych. Przekształciliśmy je z pomocą teorii sterowania, by stworzyć algorytmy stabilizujące.
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.
Pokażę zalety tej metody. Maszyna ma nie tylko unieść się, ale i utrzymać tyczkę w równowadze. Przy odrobinie ćwiczeń, człowiekowi przychodzi to dość łatwo, chociaż my mamy przewagę stania na dwóch nogach i dużej zręczności rąk. Trudność pojawia się, gdy stoję na jednej nodze i nie używam rąk. Na szczycie tyczki jest odblaskowy znacznik, pozwalający ją zlokalizować w przestrzeni.
(Audience) Oh!
(Brawa)
(Applause)
(Applause ends)
Maszyna wprowadza korekty,
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.
by utrzymać tyczkę w równowadze. Jak zaprojektowaliśmy te algorytmy? Dodaliśmy model matematyczny tyczki do modelu maszyny. Mając połączony model maszyny i tyczki, wykorzystujemy teorię sterowania, by stworzyć algorytm sterujący. Maszyna jest stabilna, nawet jeśli ją trącam, powraca do swojej pozycji.
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.
Możemy uzupełnić model o wskazówki, gdzie ma się znaleźć w przestrzeni. Dzięki wskaźnikowi z odblaskowych znaczników mogę wskazać, gdzie chcę umieścić maszynę w określonej odległości ode mnie.
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
Kluczem do tych akrobacji jest algorytm, stworzony przy pomocy modeli matematycznych i teorii sterowania.
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.
Każmy maszynie wrócić i upuścić tyczkę. Zademonstruję znaczenie zrozumienia modeli fizycznych i działania fizyki w praktyce. Maszyna straciła wysokość, gdy postawiłem na niej szklankę wody. Nie uwzględniłem w systemie modelu matematycznego szklanki wody. System nie wie nawet, że szklanka tam jest. Mogę użyć wskaźnika, żeby wskazać maszynie gdzie ma się znaleźć.
(Applause)
(Brawa)
(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.
Pewnie jesteście ciekawi, dlaczego woda się nie wylewa? Dwie sprawy: grawitacja oddziałuje na wszystkie przedmioty tak samo. Po drugie, śmigła są skierowane w górę, w stronę szklanki. W rezultacie okazuje się, że siły działające na szklankę z boku są małe i zrównoważone przez wpływ aerodynamiki, i można je pominąć. Dlatego nie trzeba modelować szklanki. Woda się nie wyleje, niezależnie od ruchów maszyny.
(Audience) Oh!
(Applause)
(Brawa)
(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.
Pewne skomplikowane zadania są łatwiejsze od innych. Zrozumienie fizyki problemu wyjaśnia, które zadania są łatwe, a które trudne. Trzymanie szklanki jest łatwe. Utrzymywanie tyczki jest trudne.
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?
Słyszeliśmy historie o sportowcach dokonujących wyczynów mimo obrażeń. Czy maszyna też może działać przy dużym fizycznym uszkodzeniu? Rozsądek podpowiada, że potrzeba przynajmniej czterech działających śmigieł do latania, ponieważ do kontrolowania są cztery parametry: obrót, kołysanie się, odchylenie i przyspieszenie. Heksakoptery i oktokoptery z 6 i 8 śmigłami mają nadmiarowe śmigła, ale kwadrokoptery są popularniejsze, bo mają minimalną liczbę śmigieł do latania: cztery. Czyżby?
(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.
Analizując model matematyczny tej maszyny z tylko dwoma działającymi śmigłami odkryliśmy nietypowy sposób, by mogła latać. Rezygnujemy z kontroli odchylenia, ale nadal można sterować obrotem, kołysaniem i przyspieszeniem dzięki algorytmom wykorzystującym nową konfigurację. Modele wyjaśniają dokładnie, kiedy i dlaczego jest to możliwe. Ta wiedza pozwala nam projektować nowatorską architekturę maszyn i inteligentne algorytmy, które radzą sobie z uszkodzeniami jak ludzcy sportowcy. zamiast budować maszyny z nadmiarowymi elementami.
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.
Zapiera nam dech w piersiach, gdy widzimy pływaka robiącego salto do wody albo tyczkarza wirującego w powietrzu, gdy ziemia szybko się zbliża. Czy pływakowi uda się wbić w wodę? Czy tyczkarz dobrze wyląduje? Załóżmy, że ten kwadrokopter ma wykonać potrójny obrót i wrócić na swoją pozycję. Taki manewr odbywa się tak szybko, że nie można użyć pozycjonowania do kontroli ruchu. Nie ma na to czasu. Kwadrokopter wykona więc manewr "na ślepo", zidentyfikuje położenie i użyje tej informacji, by kolejny obrót wyszedł lepiej. Zupełnie jak pływak i tyczkarz trenują do perfekcji, by kolejna próba została wykonana bezbłędnie.
(Laughter)
(Brawa)
(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?
Rzucanie piłką jest kluczową umiejętnością w wielu sportach. Jak nauczyć robota czynności, którą sportowiec wykonuje niemal bez wysiłku?
(Laughter)
(Applause)
(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.
Ten kwadrokopter ma rakietę przymocowaną na wierzchu z punktem odbicia wielkości jabłka, więc niedużym. Obliczenia są robione co 20 ms, czyli 50 razy na sekundę. Najpierw określamy, gdzie leci piłka. Potem obliczamy, jak robot powinien uderzyć, by piłka wróciła do punktu wyjścia. Po trzecie, ustalana jest trajektoria, która przenosi robota w miejsce odbicia piłki. Po czwarte, wykonujemy tylko 20ms tej strategii Po 20 ms cały proces jest powtarzany aż do momentu uderzenia piłki.
(Applause)
(Brawa)
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
Maszyny potrafią działać nie tylko w pojedynkę, mogą działać razem. Te 3 kwadrokoptery wspólnie unoszą siatkę.
(Applause)
(Brawa)
(Applause ends)
Wykonują niebywale dynamiczny
They perform an extremely dynamic and collective maneuver to launch the ball back to me. Notice that, at full extension, these quads are vertical.
wspólny manewr, by odrzucić mi piłkę. Zwróćcie uwagę, że w punkcie kulminacyjnym roboty są w pionie.
(Applause)
(Brawa)
In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
Wtedy też poddane są przeciążeniu 5 razy większemu niż w końcówce skoku na 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.
Zastosowane algorytmy są bardzo podobne do tych, które umożliwiają odbicie piłki. Modele matematyczne służą do ciągłej aktualizacji wspólnej strategii, 50 razy na sekundę.
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.
Wszystko, co pokazałem, dotyczyło robotów i ich zdolności. A jeżeli połączymy zwinność maszyn ze zwinnością ludzi? Mam przed sobą popularny czujnik gestów, używany głównie podczas gier. Rozpoznaje on "na żywo" ruchy poszczególne części mojego ciała. Podobnie jak wcześniejszy wskaźnik, może być użyty do wprowadzenia danych. To naturalny sposób sterowania manewrami maszyn przy pomocy gestów.
(Applause)
(Brawa)
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.
Interakcja nie musi być wirtualna, może być fizyczna. Spójrzmy na ten kwadrokopter. Stara się utrzymać swoją pozycję. Jeżeli nim poruszę, przeciwstawia mi się i wraca na swoje miejsce. Możemy to jednak zmienić. Przy pomocy modeli matematycznych możemy oszacować siłę, jakiej używam. Gdy ją znamy, możemy zmienić prawa fizyki Tylko dla robota, rzecz jasna. Teraz kwadrokopter porusza się tak,
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.
jakby znajdował się w lepkiej cieczy. Mamy możliwość bliskiej interakcji z maszyną. Użyję tej możliwości, by ustawić robota z kamerą w dobrym miejscu do filmowania reszty prezentacji.
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.
Możemy fizycznie wpływać na maszyny i zmieniać prawa fizyki. Zabawmy się. Teraz zobaczycie, jak roboty zachowywałyby się na Plutonie. Z upływem czasu grawitacja będzie zwiększana, aż do osiągnięcia wartości ziemskiej, ale zapewniam, że to się nie uda. Uwaga.
(Laughter)
(Śmiech)
(Laughter)
(Śmiech)
(Applause)
(Brawa)
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.
Uff! Myślicie teraz, że za dobrze się bawimy, i zadajecie sobie pytanie: po co budować zwinne maszyny? Niektórzy sądzą, że rolą zwierzęcej zabawy jest doskonalenie umiejętności i zdolności. Inni myślą, że rozwój umiejętności społecznych, integrowanie grupy. Używamy analogii sportu i sprawności fizycznej do tworzenia nowych algorytmów dla maszyn, by przesunąć granice ich możliwości. Jaki wpływ wywrze na nasze życie szybkość maszyn? Tak jak nasze poprzednie dzieła i innowacje, mogą być użyte do poprawienia jakości życia lub użyte w złym celu. Nie stoimy przed problemem technicznym, lecz społecznym. Podejmijmy właściwą decyzję, która przyniesie nam pożytek z rozwoju maszyn, tak jak sprawność fizyczna w sporcie potrafi wydobyć z nas to, co najlepsze.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Przedstawię wam magików zza kurtyny. To obecni członkowie zespołu badawczego Flying Machine Arena.
(Applause)
(Brawa)
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 i Robin Ritz. Jeszcze o nich usłyszycie. Są stworzeni do wielkich rzeczy.
Thank you.
Dziękuję!
(Applause)
(Brawa)