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.
Ce presupune ca o mașinărie să fie atletică? Vom explica noțiunea de sportivitate a mașinilor și cum o obținem prin cercetare cu ajutorul acestor mașinării zburătoare, numite „tetrarotoare” sau pe scurt drone.
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.
Dronele există de multă vreme. Azi le vedem peste tot pentru că funcționează foarte simplu. Prin comanda vitezelor celor patru elice se obțin tangajul, ruliul, girația și accelerația în direcția lor comună. La bord mai există o baterie, un calculator, diferiți senzori și cartele radio.
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.
Dronele sunt foarte agile, dar agilitatea are un preț. Sunt inerent instabile, deci pentru a zbura au nevoie de centru comandă automat.
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.
Cum a reușit asta? Camerele de pe tavan și un laptop, formează un sistem de poziționare local. Așa localizăm în spațiu obiectele care au montate aceste repere reflectorizante. Datele sunt trimise la un alt laptop, care rulează algoritmi de estimare și comandă și care apoi trimite comenzi dronei, care rulează și ea algoritmi de estimare și comandă. Grosul cercetării noastre sunt în algoritmii. Aceștia reprezintă magia ce dă viață acestor aparate.
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.
Cum se proiectează algoritmii care creează un mașinărie agilă? Folosim ceea ce se numește „proiectare pe bază de model”. Întâi modelăm matematic procesele fizice din funcționarea aparatelor. Apoi folosim ramura matematicii numită „teoria controlului” pentru a analiza modelele și sintetizăm algoritmi pentru comanda lor. De exemplu așa obținem zborul staționar. Mai întâi descriem dinamica într-un sistem de ecuații diferențiale. Apoi modificăm aceste ecuații folosind teoria controlului pentru a crea algoritmi care stabilizează drona.
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.
Să vă arăt puterea acestei abordări. Să zicem că-i cerem dronei să zboare staționar și în plus să țină o vergea în echilibru. Cu puțin exercițiu e destul de simplu pentru un om să facă asta, deși e drept că noi profităm că avem două picioare pe sol și de mâini foarte versatile. Devine ceva mai greu cu un singur picior pe sol și dacă nu folosesc mâinile. Observați că vergeaua are un reper reflectant sus, deci poate fi localizată în spațiu.
(Audience) Oh!
(Aplauze)
(Applause)
(Applause ends)
Vedeți cum face mici ajustări
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.
pentru a păstra echilibrul. Cum am proiectat acești algoritmi? Am adăugat modelul matematic al vergelei la modelul dronei. La modelul sistemului combinat dronă plus vergea aplicăm teoria controlului pentru a crea algoritmii de comandă. Uite, vedeți că e stabil, și chiar dacă îl mișc puțin se întoarce frumos în echilibru.
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.
Putem adăuga la model unde vrem să stea drona în spațiu. Folosind acest indicator cu repere reflectante pot indica unde vreau să fie drona în spațiu, la o anumită distanță de mine.
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
Cheia acestor manevre acrobatice e în algoritmi, proiectați folosind modele matematice și teoria controlului.
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.
Să-i spunem dronei să se întoarcă aici și să lase vergeaua să cadă, și vă voi arăta cât de important e să înțelegem modelele matematice și funcționarea lumii fizice. Ați observat cum a pierdut din altitudine când am așezat paharul cu apă. Spre deosebire de vergea, n-am mai inclus modelul matematic al paharului în sistem. De fapt sistemul habar n-are că paharul cu apă e acolo. Pot folosi din nou indicatorul pentru a-i spune dronei unde vreau să fie în spațiu.
(Applause)
(Aplauze)
(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.
Ar trebui să vă întrebați de ce nu se varsă apa din pahar? Două precizări: 1. Gravitația acționează la fel asupra tuturor corpurilor. 2. Elicele sunt îndreptate toate în aceeași direcție ca paharul, în sus. Combinând cele două informații, rezultatul net e că forțele laterale asupra paharului sunt mici și vin în mare parte din efectele aerodinamice, care la aceste viteze sunt neglijabile. De asta nu e nevoie să incluzi paharul în model. Apa nu se varsă orice ar face drona.
(Audience) Oh!
(Applause)
(Aplauze)
(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.
Să reținem deci că unele operații performante sunt mai ușoare decât altele și că înțelegerea aspectului mecanic al problemei ne spune care sunt ușoare și care grele. În cazul acesta, transportarea paharului e ușoară, echilibrarea vergelei e grea.
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?
Am auzit cu toții de succesele remarcabile ale unor sportivi care erau răniți. Oare se descurcă și o mașină cu defecte fizice extreme? Se spune că pentru a zbura e nevoie de cel puțin patru motoare fixe cu perechi de elice, pentru că ai patru grade de libertate: ruliu, tangaj, girație și accelerație. Hexarotoarele și octorotoarele, cu șase și opt elice, dispun de redundanță, dar tetrarotoarele sunt mult mai folosite, pentru că au numărul minim de elice cu motor fix: patru. Așa să fie?
(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.
Dacă analizăm modelul matematic al aparatului cu numai două elice în funcțiune, descoperim că există un mod neconvențional de zbor. Renunțăm la comanda girației, dar putem comanda ruliul, tangajul și accelerația cu algoritmi care folosesc noua configurație. Modelele matematice ne spun exact când și de ce e posibil. Aici această cunoaștere ne permite să proiectăm noi arhitecturi mecanice sau să concepem algoritmi abili care compensează elegant defecțiunile, așa cum fac sportivii, în loc să construim mașini cu redundanță.
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.
Ni se taie respirația când vedem un înotător sărind la trambulină sau un gimnast făcând un șurub în aer, în cădere vertiginoasă. Va reuși înotătorul să plonjeze perfect? Va reuși gimnastul să încheie curat? Să zicem că vrem să punem drona să se rostogolească de trei ori și să revină în punctul de pornire. Mișcarea va fi atât de rapidă încât nu putem folosi poziția măsurată pentru a face corecții în timp real. Nu ajunge nicicum timpul. În schimb, drona poate să facă manevra orbește, să observe cum a terminat-o și apoi să folosească datele pentru a-și corecta comportamentul, încât următoarele salturi să fie mai bune. La fel ca înotătorul și gimnastul, numai prin exercițiu repetat se poate învăța și executa o manevră de mare performanță.
(Laughter)
(Applause)
(Aplauze)
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?
În multe sporturi trebuie să știi să lovești mingea. Cum ar putea o mașină să facă ceea ce sportivii fac aparent fără efort?
(Laughter)
(Applause)
(Aplauze)
(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.
Drona aceasta are montată o rachetă deasupra cu o zonă optimă cam cât un măr, nu prea mare. Aici calculele se fac la fiecare 20 ms, sau de 50 de ori pe secundă. Mai întâi calculăm traiectoria bilei, apoi calculăm mișcarea dronei pentru a lovi bila. ca să se întoarcă de unde a venit. Apoi se stabilește o traiectorie duce drona din starea curentă la punctul de impact cu bila. Apoi calculele se repetă la un interval de 20 ms. După 20 ms se repetă întregul proces până când drona lovește bila.
(Applause)
(Aplauze)
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
Mașinăriile pot efectua manevre dinamice atât individual, cât și colectiv. Aceste trei drone cooperează pentru a purta o plasă.
(Applause)
(Aplauze)
(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.
Execută o manevră foarte dinamică și colectivă pentru a-mi arunca bila înapoi. Observați că la întinderea maximă dronele sunt verticale.
(Applause)
(Aplauze)
In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
De fapt la întindere maximă efectul e de vreo cinci ori mai mare decât ce simți la un bungee jump, la sfârșitul săriturii.
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.
Algoritmii de aici seamănă mult cu ai dronei care lovea bila. Modele matematice sunt folosite pentru a recalcula strategia de cooperare de 50 de ori pe secundă.
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.
Până acum am arătat numai ce sunt și ce pot face mașinile. Dar dacă îmbinăm însușirile sportive ale mașinăriei cu ale omului? Am în față un senzor comercial al mișcărilor, folosit pentru jocuri. Poate recunoaște ce fac diferitele părți ale corpului în timp real. La fel ca pe indicatorul de adineauri, îl putem folosi pentru introducerea datelor. Astfel avem un mod natural de interacțiune cu însușirile sportive ale dronelor, prin gesturi.
(Applause)
(Aplauze)
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.
Interacțiunea nu trebuie neapărat să fie virtuală, poate fi și fizică. De exemplu această dronă. Încearcă să stea într-un punct fix din spațiu. Dacă încerc să o mișc, se împotrivește și se întoarce unde vrea să fie. Dar îi putem schimba comportamentul. Putem folosi modele matematice pentru a estima forța cu care împing drona. După ce știm forța, putem schimba legile fizicii, din perspectiva dronei, desigur. Acum drona se comportă ca și cum ar fi într-un fluid vâscos.
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.
Prin asta putem interacționa cu aparatul într-un mod direct. Voi folosi noua aptitudine pentru a plasa această dronă cu cameră video într-un loc potrivit pentru a filma restul demonstrației.
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.
Putem deci să interacționăm fizic cu dronele și putem schimba legile fizicii. Hai să ne amuzăm puțin cu asta. În clipele următoare aceste drone se vor comporta inițial ca și cum ar fi pe Pluto. Apoi treptat gravitația va crește până ne vom întoarce pe Pământ, dar sunt sigur că nu voi reuși. Bun, începem!
(Laughter)
(Râsete)
(Laughter)
(Râsete)
(Applause)
(Aplauze)
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.
Uuu... Acum vă gândiți: „Ăștia se distrează cam mult!” Și probabil vă întrebați: „De ce or fi construind mașinării atletice?” Unii consideră că rolul jocului în regnul animal este ascuțirea dibăciei și dezvoltarea calităților. Alții cred că are mai mult un rol social, că servește la coeziunea grupului. La fel și noi, prin analogie cu sporturile creăm noi algoritmi cu care ducem mașinăriile la limită. Ce impact vor avea astfel de mașinării asupra vieții omului? Ca toate creațiile și inovațiile de până acum, ele pot veni în slujba condiției umane sau se pot folosi greșit și abuza. Alegerea de făcut nu e una tehnică; e una socială. Hai să alegem bine, să scoatem tot ce e mai bun din viitorul mașinăriilor, așa cum sportivitatea scoate la iveală tot ce e mai bun din noi.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Vreau să vi-i prezint pe vrăjitorii din spatele cortinei verzi. Ei sunt membrii actuali ai echipei de cercetare Flying Machine Arena.
(Applause)
(Aplauze)
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 și Robin Ritz. Stați cu ochii pe ei. Le e scris să facă lucruri mari.
Thank you.
Mulțumesc.
(Applause)
(Aplauze)