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.
Дакле, шта је то атлетскa машина? Показаћемо вам концепт спортске машине и истраживање да би се то остварило уз помоћ ових летећих машина названих квадрокоптери или скраћено квадови.
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.
Квадови су присутни већ дуго. Разлог што су тако популарни ових дана је зато што су механички једноставни. Контролом брзине ова четири пропелера, ове машине могу да се котрљају, додају, мењају правац и да убрзавају дуж заједничког правца. На уређају је такође и батерија, компјутер, разни сензори и бежични радио.
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.
Квадови су веома агилни, али ова агилност има цену. Они су у суштини нестабилни и треба им неки вид аутоматске повратне контроле, како би могли да лете.
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.
Како je то урадио? Камере које су на плафону и лаптоп служе као затворени систем глобалног позиционирања. Користе се за проналажење објеката у простору који имају ове рефлектујуће маркере на себи. Ови подаци се затим шаљу на други лаптоп који ради процењивање и контролу алгоритама, што заузврат шаље команде на квад, на ком се одвијају алгоритми за процену и контролу. Највећи део нашег истраживања су алгоритми. То је чаролија која даје живот овим машинама.
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.
Дакле, како се дизајнирају алгоритми за прављење машине спортисте? Kористимо нешто што се зове дизајн заснован на моделу. Прво математичким моделом опишемо физику понашања машине. Онда користимо грану математике која се зове теорија контроле, за анализу ових модела и за синтезу алгоритама за њихову контролу. На пример, тако можемо да направимо лебдећи квад. Прво смо освојили динамику сетом диференцијалних једначина. После смо обрадили ове једначине уз помоћ теорије контроле да бисмо направили алгоритме који стабилизују квад.
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.
Допустите ми да демонстрирам јачину овог приступа. Претпоставимо да желимо да овај квад не само лебди већ и да ову мотку држи у равнотежи. Уз мало вежбе, за човека је прилично једноставно да то ради, иако ми имамо предност да смо са две ноге на земљи и да користимо руке на разне начине. Ово постаје мало теже када сам само једном ногом на земљи и када не користим своје руке. Обратите пажњу како овај штап има рефлектујући маркер на врху, што значи да може да се лоцира.
(Audience) Oh!
(Аплауз)
(Applause)
(Applause ends)
Можете приметити да овај квад фино подешава
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.
равнотежу штапа. Како смо дизајнирали алгоритме за то? Додали смо математички модел штапа моделу квада. Када добијемо комбиновани модел, онда можемо да користимо теорију контроле за прављење алгоритама за контролу. Ево, видите да је стабилно, па чак и ако се мало гурне, враћа се у леп, стабилан положај.
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.
Такође можемо повећати модел да бисмо укључили положај квада у простору. Користећи овај показивач од рефлектујућег маркера, могу да одредим положај квада у простору на фиксном одстојању од мене.
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
Кључ овог акробатског маневра су алгоритми, направљени уз помоћ математичких модела и контролне теорије.
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.
Хајде да кажемo кваду да се врати овде, нека штап падне и показаћу значај разумевања физичких модела и рада у физичком свету. Обратите пажњу како квад губи висину када ставим ову чашу воде на њега. За разлику од штапа који балансира, нисам укључио математички модел чаше у систем. У ствари, систем не зна да је чаша воде ту. Као и раније, могу да користим показивач да му кажем где желим да буде.
(Applause)
(Аплауз)
(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.
ОК, требало би да се питате, зашто се вода из чаше не проспе? Две чињенице: прва је да гравитација делује на све објекте на исти начин. Друга је да сви пропелери показују у истом правцу чаше, на горе. Ставите заједно ове две ствари, резултат је да су све бочне силе на чаши мале и углавном их диктирају аеродинамични ефекти, који су занемарљиви као ове брзине. И зато не треба да се моделира чаша. Наравно, не просипа се без обзира шта квад ради.
(Audience) Oh!
(Applause)
(Аплауз)
(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.
Овде смо научили да су неки задаци високих перформанси лакши од других и да разумевање физике проблема говори који су лаки, а који тешки. У овом случају, лако је носити чашу воде. Балансирање штапа је тешко.
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?
Сви смо чули приче о спортистима који постижу подвиге док су повређени. Може ли и машина радити са екстремним физичким оштећењем? До сада знамо да су потребна најмање четири пара моторних пропелера да би летео јер постоје четири степена слободе за контролу: обртање, бацање, промена правца и убрзање. Хексакоптери и октокоптери, са 6 и 8 пропелера, обезбеђују сувишност, али квадрокоптери су много популарнији јер имају најмањи број основних парова моторних пропелера: 4. Заиста?
(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.
Ако се анализира математички модел ове машине са само 2 пропелера који раде, откривамо да постоји неконвенционалан начин летења. Губимо контролу промене правца, али окретање, бацање и убрзање се још увек могу контролисати алгоритмима који користе ову нову конфигурацију. Математички модели нам кажу када и зашто је то могуће. У овом случају, то нам омогућава да дизајнирамо нове архитектуре машина или да дизајнирамо паметне алгоритме који елегантно решавају штету, баш као што то раде спортисти, уместо да правимо машине које имају вишак.
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.
Остајемо без даха када гледамо рониоца како се преврће у води или када се скакач окреће у ваздуху, а земља се брзо приближава. Да ли ће ронилац моћи да изађе на време? Да ли ће акробата срећно стићи на земљу? Претпоставимо да желимо да овај квад направи троструки салто и заврши на истом месту где је почео. Овај маневар ће се догодити тако брзо да не можемо користити повратну информацију о положају док то ради. Једноставно нема довољно времена. Уместо тога, оно што квад може је да слепо изврши маневар, сними како је завршио и онда узме ту информацију како би променио своје понашање да би следећи окрет био бољи. Слично као ронилац и акробата, само кроз поновљено вежбање маневар се може научити и извршити према највишем нивоу.
(Laughter)
(Applause)
(Аплауз)
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?
Неопходна вештина многих спортова је ударање лопте у покрету. Како да направимо машину која ради оно што спортиста ради наизглед без напора?
(Laughter)
(Applause)
(Аплауз)
(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.
Овај квад има рекет привезан на свом челу са циљним местом величине као јабука, дакле не превеликим. Следећи прорачуни се врше сваких 20 милисекунди или 50 пута у секунди. Прво гледамо где лопта иде. Затим рачунамо како би квад требало да погоди лопту тако да она одлети на место одакле је бачена. Треће, путања је пројектована да носи квад од тренутног положаја до тачке удара лопте. Четврто, извршавамо само 20 милисекунди те стратегије. Двадесет милисекунди касније, цео поступак се понавља све док квад не удари лопту.
(Applause)
(Аплауз)
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
Машине могу да изводе и своје динамичке маневре и то могу да раде заједнички. Ова 3 квада заједнички носе мрежу.
(Applause)
(Аплауз)
(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.
Они обављају изузетно динамичан и колективни маневар да пошаљу лопту мени назад. Приметите да су ови квадови вертикални у потпуном опружању.
(Applause)
(Аплауз)
In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
У ствари, када је потпуно опружен, сила је отприлике пет пута већа од оне коју осећа банџи скакач на крају свог лансирања.
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.
Алгоритми за ово су веома слични онима које користи један квад да би вратио лопту мени. Математички модели се користе све време и поново срачунавају заједничку стратегију 50 пута у секунди.
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.
Све што смо видели до сада је било о машинама и њиховим могућностима. Шта се дешава када ове машине атлете искомбинујемо са људима атлетама? Испред мене је комерцијални сензор за покрете који се углавном користи у играма. Он може да препозна шта разни делови мога тела раде у реалном времену. Слично показивачу који сам користио раније, ово можемо користити као улазни податак у систем. Сада имамо природан начин интеракције сирове атлетике ових квадова и мојих покрета.
(Applause)
(Аплауз)
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.
Интеракција не мора да буде виртуелна. Може бити физичка. На пример, овај квад. Покушава да остане у фиксној тачки у простору. Ако покушам да га померим са пута, он се супротставља и премешта тамо где жели да буде. Међутим, можемо променити ово понашање. Можемо користити математичке моделе да бисмо проценили силу која се примењује на квад. Када знамо ову силу, можемо да променимо и законе физике, док год је квад у питању, наравно. Овде се квад понаша као да је
We now have an intimate way of interacting with a machine.
у вискозној течности.
I will use this new capability to position this camera-carrying quad to the appropriate location for filming the remainder of this demonstration.
Сада имамо близак начин интеракције са машином. Користићу ову нову могућност за позиционирање ове камере која носи квад до одговарајуће локације за снимање преосталог дела ове демонстрације.
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.
Дакле, физички можемо да делујемо са квадовима и можемо да променимо законе физике. Хајде да се мало забавимо са овим. Сада ћете видети ове квадове који ће се испрва понашати као да су на Плутону. Како време пролази, повећаваће се гравитација док се не вратимо на Земљу али уверавам вас да нећемо стићи тамо. ОК, ево почиње.
(Laughter)
(Смех)
(Laughter)
(Смех)
(Applause)
(Аплауз)
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! Сви сада мислите да се ови момци превише забављају и вероватно се такође питате: "Због чега они праве ове машине атлете?" Неки ће претпоставити да игра у животињском царству има улогу да унапреди вештине и развије способности. Други, да има друштвенију улогу, да се користи да се група веже. Слично, користимо аналогију спорта и атлетике да бисмо створили нове алгоритме за машине да их гурнемо до граница. Колико ће брзина машина имати утицаја на наш начин живота? Као и код свих наших претходних креација и иновација, могу се користити за побољшање људског живота или се погрешно користити и злоупотребити. Не суочавамо се са техничким избором; већ друштвеним. Хајде да направимо прави избор најбољи избор будућности машина, баш као што атлетика може извући најбоље у нама.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Дозволите ми да вас упознам са чаробњацима иза зелене завесе. То су садашњи чланови истраживачког тима "Арена летећих машина".
(Applause)
(Аплауз)
Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller and Robin Ritz. Look out for them. They're destined for great things.
Федерико Аугуљаро, Дарио Брешанини, Маркус Хен, Сегеј Лупашин, Марк Милер и Робин Риц. Обратите пажњу на њих. Они су предодређени за велике ствари.
Thank you.
Хвала.
(Applause)
(Аплауз)