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.
Что же такое машина, обладающая атлетическими свойствами? Мы сейчас проиллюстрируем здесь понятие машинного атлетизма и расскажем о наших исследованиях в этой области с помощью вот этих летательных аппаратов, квадролётов, или коротко квадов.
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.
Квады существуют уже давно. Секрет их нынешней популярности в простоте их конструкции. Регулируя скорости вращения вот этих четырёх винтов, эти аппараты могут вращаться, крениться, менять курс и ускоряться в заданном винтами направлении. Они также снабжены батареей, компьютером, различными датчиками и радиоаппаратурой.
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.
Квады чрезвычайно подвижны, но это проворство не досталось им даром. Они по природе своей неустойчивы, и для того, чтобы летать, им необходим некий механизм автоматической обратной связи.
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.
Как это ему сейчас удалось? Видеокамеры на потолоке и портативный компьютер выступают в роли комнатной GPS. Она определяет местонахождение объектов, у которых на корпусе есть вот такие отражатели. Затем данные пересылаются на другой портативный компьютер, где запущены алгоритмы расчёта и управления, в свою очередь передающие команды кваду, на котором работают такие же алгоритмы. Основная часть наших исследований — это алгоритмы. Это то волшебство, что вдыхает жизнь в наши машины.
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.
А как можно спроектировать алгоритм для создания машины-атлета? Мы пользуемся так называемым модельно-ориентированном проектированием. Сначала мы c помощью математической модели описываем физические особенности поведения этих машин. Затем с помощью математической дисциплины, известной как теория управления, мы анализируем эти модели и строим алгоритмы управления ими. Например, вот так мы можем заставить квад висеть в воздухе. Для начала мы описываем динамику движения с помощью набора дифференциальных уравнений. Затем мы на основе теории управления преобразуем эти уравнения для получения алгоритмов стабилизации квада.
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.
Разрешите мне продемонстрировать достоинства этого подхода. Предположим мы хотим, чтобы квад не просто висел в воздухе, а ещё и балансировал вот этой тростью. Любой человек, немного потренировавшись, сможет вполне свободно справиться с этой задачей. Правда у нас есть пара преимуществ — мы стоим двумя ногами на земле и имеем в распоряжении пару довольно гибких рук. Задача слегка усложняется, если я буду стоять на одной ноге и не пользоваться руками. Обратите внимание на отражатель на конце трости. Он позволяет определять её местонахождение в пространстве.
(Audience) Oh!
(Аплодисменты)
(Applause)
(Applause ends)
Вы видите, как квад слегка корректирует своё положение,
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.
чтобы не уронить трость. Как мы разработали алгоритмы для этого? Мы объединили математическую модель трости с моделью квада. Получив единую модель системы квад-трость, мы можем использовать теорию управления для её контролирования. Обратите внимание, что наша конструкция устойчива, и даже если я буду её слегка толкать, она возвращается в своё исходное уравновешенное состояние.
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.
Можно ещё дополнить модель параметрами желаемого расположения квада в пространстве. С помощью вот этой указки, покрытой отражателями, я могу задать желаемое местоположение квада на необходимом мне расстоянии в пространстве.
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
Секрет всех этих кульбитов заключается в алгоритмах, построенных с помощью математических моделей и теории управления.
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.
Теперь давайте вернём квад обратно, избавимся от трости, чтобы я мог продемонстрировать вам важность понимания физических моделей и законов физики. Обратите внимание, что квад снизился, когда я поставил на него этот бокал с водой. В отличие от эксперимента с тростью, мы не заложили математическую модель бокала в нашу систему. Более того, система даже не подозревает о его существовании. С помощью моей указки я могу опять направить квад в нужное мне место в пространстве.
(Applause)
(Аплодисменты)
(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.
Вы наверняка сейчас недоумеваете: почему вода не выплёскивается из бокала? На то есть две причины: во-первых, гравитация действует на все объекты одинаково. Во-вторых, все винты квада ориентированы вертикально вдоль бокала. Всё вместе это приводит к тому, что боковые силы, действующие на бокал, незначительны и вызваны аэродинамическими эффектами, которыми можно пренебречь на столь малых скоростях. Поэтому нам не нужно включать бокал в нашу модель. Что бы мы ни делали с квадом, вода не разольётся.
(Audience) Oh!
(Applause)
(Аплодисменты)
(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.
Таким образом, мы узнали, что некоторые сложные вычислительные задачи оказываются проще других. А также, что понимание физических аспектов происходящего помогает нам отделить простые задачи от сложных. В данном случае, перенести бокал с водой просто. Удержать в равновесии трость сложно.
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?
Мы все слышали рассказы о спортсменах, показывающих чудеса мастерства будучи травмированными. А может ли машина работать, когда она сильно повреждена? Принято считать, что для полёта нам необходимы как минимум четыре фиксированные винтовые пары для управления четырьмя степенями свободы: вращением, креном, сменой курса и ускорением. Многовинтовые вертолёты, с шестью или восемью винтами, могут обеспечить резерв, тем не менее, квадролёты намного более популярны, потому что они обладают минимально необходимым количеством винтовых пар: четырьмя. Но правда ли это?
(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.
Изучив математическую модель этого аппарата, имеющего только два работающих винта, мы установили, что он может летать необычным образом. Мы теряем контроль над сменой курса, но управление вращением, креном и ускорением возможно с помощью алгоритмов, работающих в этой новой конфигурации. Математические модели объясняют нам каким образом это возможно. В данном случае эти знания помогают разработать принципиально новые конструкции аппаратов или создать умные алгоритмы, способные изящно справляться с неполадками, подобно настоящим спортсменам, вместо того чтобы строить машины с резервными подсистемами.
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.
Дух захватывает, когда наблюдаешь за кульбитами прыгуна с трамплина или за сальто в воздухе прыгуна с шестом, стремительно летящего вниз. Удастся ли прыгуну с трамплина безупречный вход в воду? Удастся ли прыгуну с шестом вертикальное приземление? Предположим, что мы хотим, чтобы наш квад выполнил тройное сальто и вернулся в исходное положение. Этот манёвр осуществляется столь быстро, что мы не успеваем воспользоваться данными обратной связи в процессе его выполнения. Нам просто не хватит времени на корректировку. Но квад может самостоятельно вслепую совершить этот манёвр, запомнить, где он его закончил, и скорректировать свои действия таким образом, чтобы следующее сальто получилось лучше. Как и в случае со спортсменами-прыгунами, только многократное повторение может помочь в процессе обучения и обеспечить безупречное выполнение манёвра.
(Laughter)
(Applause)
(Аплодисменты)
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?
Умение ударить по летящему мячу необходимо во многих видах спорта. Как можно научить машину тому, что любому спортсмену удаётся без видимых усилий?
(Laughter)
(Applause)
(Аплодисменты)
(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.
К этому квада сверху прикручена ракетка с зоной максимального отскока примерно с яблоко, т.е. не очень большой. Следующие вычисления производятся каждые 20 миллисекунд, или 50 раз в секунду. Сначала нужно вычислить, куда летит мяч. Затем нужно вычислить, как квад должен ударить по мячу, чтобы попасть в то же место, из которого его бросили. В-третьих, нужно рассчитать траекторию движения квада из текущего местоположения до точки столкновения с мячом. В-четвёртых, действия просчитываются всего на 20 миллисекунд вперёд. Через 20 миллисекунд всё повторяется сначала до тех пор, пока квад не ударит по мячу.
(Applause)
(Аплодисменты)
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
Машины способны не только выполнять динамичное маневрирование в одиночку, но и делать это вместе. Вот эти три квада могут вместе перемещать сетку.
(Applause)
(Аплодисменты)
(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.
Вместе они выполняют очень быстрый совместный манёвр с целью отбить мяч обратно мне. Смотрите, когда сеть сильно натянута, квады расположены вертикально.
(Applause)
(Аплодисменты)
In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
Больше того, в момент максимального натяжения действующие на квад силы приблизительно в пять раз больше тех, что испытывает банджи-джампер в конце прыжка.
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.
Использующиеся здесь алгоритмы очень похожи на те, что работают для одного квада, отбивающего мяч. Мы используем математические модели для перерасчёта совместной стратегии действий 50 раз в секунду.
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.
Всё, что я вам до сих пор показывал, относилось к машинам и их возможностям. А что произойдёт, если объединить машинный атлетизм с человеческим? Передо мной — серийный датчик движения, использующийся в игровых приставках. Он способен отслеживать мои движения в режиме реального времени. Подобно указке, которую я использовал ранее, мы можем таким образом управлять нашей системой. С помощью жестов я могу естественным образом управлять атлетическими способностями этих квадов.
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Моё взаимодействие с ними уже не виртуальное, а физическое. Возьмём, к примеру, этот квад. Он пытается висеть на одном месте. Если я пытаюсь его подвинуть, он сопротивляется и возвращается в исходную точку. Впрочем, мы можем изменить его поведение. С помощью математических моделей можно вычислить силу, с которой я толкаю квад. Если эта сила нам известна, мы можем теперь изменить законы физики, разумеется только применительно к этому кваду. Квад сейчас ведёт себя так,
We now have an intimate way of interacting with a machine.
будто он попал в вязкую жидкость.
I will use this new capability to position this camera-carrying quad to the appropriate location for filming the remainder of this demonstration.
Теперь мы можем очень тесно взаимодействовать с машиной. Я могу расположить вот этот квад с камерой в самом удобном месте для съёмок последней части моей презентации.
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.
Мы можем управлять этими квадами вручную, изменяя при этом законы физики. Давайте теперь немного поиграем. Сейчас вы увидите, как эти квады сначала будут вести себя так, будто они находятся на Плутоне. Мы будем постепенно увеличивать силу гравитации пока не вернёмся на Землю, но смею вас уверить, что до этого дело не дойдёт. Ну, поехали.
(Laughter)
(Смех)
(Laughter)
(Смех)
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Уф! Вы все сейчас думаете: эти ребята уж слишком много веселятся. Возможно, вы ещё задаётесь вопросом: а зачем вообще мы конструируем эти машины-атлеты? Есть мнение, что в животном мире с помощью игры можно оттачивать мастерство и развивать свои способности. Другие считают, что социальное значение игр в том, чтобы сплачивать людей. А мы проводим параллели между спортом и атлетическими способностями, создавая алгоритмы, которые будут заставлять машины работать на пределе возможностей. Каким образом скорость работы машины повлияет на нашу собственную жизнь? Как показывает опыт, любое изобретение или открытие может быть использовано как на благо человечества, так и во вред ему. Мы стоим перед проблемой не технического выбора, а выбора социального. Так давайте же сделаем правильный выбор. Выбор, который отразит самые лучшие стороны будущего машин. Как и атлетические качества в спорте отражают лучшее, что есть в нас.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Разрешите мне представить магов, живущих по ту сторону зелёного занавеса. Это члены нашей исследовательской команды «Арена летательных аппаратов».
(Applause)
(Аплодисменты)
Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller and Robin Ritz. Look out for them. They're destined for great things.
Федерико Аугульяро, Дарио Брешьянини, Маркус Хен, Сергей Лупашин, Марк Мюллер и Робин Риц. Обратите на них внимание — за ними будущее.
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)