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.
Nếu một chiếc máy có thể trở thành một vận động viên thì điều này có ý nghĩa gì? Chúng tôi sẽ trình bày về mô hình của một vận động viên bằng máy cũng như phương pháp nghiên cứu để tạo ra thiết bị này cùng với sự trợ giúp của các thiết bị bay được gọi là máy bay bốn cánh, hay nói ngắn gọn là quad
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.
Quad đã tồn tại trong một khoảng thời gian dài Lý do mà ngày nay quad trở nên rất phổ biến là vì nó được cấu tạo rất đơn giản Bằng việc điều khiển tốc độ của 4 cánh quạt, thiết bị này có thể cuộn tròn, ném bóng, đảo lái đồng thời tăng tốc theo các hướng phổ biến. Phía trên của nó là một cục pin, một máy vi tính, rất nhiều thiết bị cảm ứng và thiết bị phát sóng không dây.
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 cực kỳ nhanh lẹ, nhưng chính sự nhanh lẹ này cũng sẽ tăng giá thành của nó. Thiết bị này vốn đã không cân bằng, do vậy nó cần một vài bộ điều khiển hồi tiếp tự động giúp nó có thể bay lên được
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.
Vậy quy trình đó diễn ra thế nào? Máy quay trên trần nhà và một máy tính cá nhân sẽ đóng vai trò như một hệ thống định vị toàn cầu trong nhà Nó được dùng để xác định các vật thể trong không gian những vật thể này có được gắn thiết bị phản chiếu dữ liệu từ các thiết bị phản chiếu này sau đó sẽ được gửi đến một máy tính cá nhân khác máy tính này thực hiện việc tính toán và kiểm soát các thuật toán sau đó sẽ gửi các câu lệnh cho máy quad máy quad cũng tính toán và thực hiện các thuật toán Và đối tượng nghiên cứu của chúng tôi là các thuật toán Thật kì diệu khi những thiết bị như quad có thể được hiện thực hóa
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.
Vậy thì các thuật toán đã được thiết kế thế nào để có thể tạo ra một vận động viên bằng máy? Chúng tôi sử dụng khá rộng rãi một thiết kế được gọi là thiết kế mô hình Đầu tiên chúng tôi sử dụng mô hình toán học để hiển thị các chuyển động vật lý về cách thức thiết bị này vận hành Sau đó chúng tôi sử dụng một phép toán được gọi là thuyết điều khiển để phân tích các mô hình này đồng thời cũng đồng bộ hóa các thuật toán để điều khiển các mô hình Ví dụ, để làm cho quad bay liệng được Trước hết chúng tôi ghi các chuyển động bằng một loạt các phép toán khác nhau Sau đó chúng tôi thực hiện các phép toán này với sự trợ giúp của thuyết điều khiển nhằm tạo ra các thuật toán giữ thăng bằng cho quad.
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.
Bây giờ tôi sẽ mô tả sức mạnh của cách làm này Ví dụ chúng tôi muốn thiết bị quad này không chỉ bay liệng mà còn giữ thăng bằng được cái cọc này Bằng một chút thực hành thì rõ ràng con người cũng có thể thực hiện được mặc dù chúng ta có lợi thế là có thể đứng thẳng 2 chân trên mặt đất và sử dụng đôi bàn tay rất khéo léo Thì cũng sẽ hơi khó khăn một chút khi chúng ta chỉ đứng một chân trên sàn và khi không sử dụng đôi tay của mình Hãy chú ý cách chúng tôi đặt thiết bị phản chiếu trên đầu chiếc cọc này Điều đó có nghĩa là có thể định vị được chiếc cọc trong không gian
(Audience) Oh!
(Vỗ tay)
(Applause)
(Applause ends)
Bạn có thể thấy rằng chiếc máy quad này điều chỉnh rất hợp lý
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.
để giữ thăng bằng chiếc cọc Vậy chúng tôi đã thiết kế các thuật toán để thực hiện động tác này ra sao? Chúng tôi đã thêm mô hình toán học của chiếc cọc vào mô hình toán học của quad Khi đã có được một mô hình hệ thống liên kết quad và cọc chúng tôi có thể sử dụng thuyết điều khiển để tạo ra các thuật toán điều khiển cọc Đây, các bạn có thể thấy chiếc cọc thăng bằng và ngay cả khi tôi huých nhẹ thì nó vẫn trở về vị trí thăng bằng rất tốt.
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.
Chúng tôi cũng có thể tăng khả năng của mô hình lên bao gồm việc lựa chọn điểm di chuyển trong không gian cho quad Sử dụng thiết bị này, cũng có gắn bộ phận phản hồi, Tôi có thể chỉ vào nơi tôi muốn máy quad đến ở cách tôi một ví trí xa
(Laughter)
The key to these acrobatic maneuvers is algorithms, designed with the help of mathematical models and control theory.
Điểm mấu chốt của chuyển động biểu diễn này là các thuật toán được thiết kế với sự trợ giúp từ các mô hình toán học cũng như thuyết điều khiển.
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.
BÂy giờ tôi sẽ yêu cầu quad quay trở lại đây và thả chiếc cọc xuống và sau đó tôi sẽ diễn tả tầm quan trọng của việc hiểu rõ các mô hình vật lý đồng thời hiểu được cơ chế vận hành của thế giới vật lý Hãy chú ý cách quad hạ độ cao Khi tôi đặt cốc nước này lên quad Không giống như chiếc cọc giữ thăng bằng, tôi sẽ không tích hợp mô hình toán học của cốc nước vào hệ thống của quad. Mà thực tế là, hệ thống này thậm chí còn không biết là cốc nước đang ở trên quad. Cũng như lần trước, tôi cũng sẽ dùng thiết bị chỉ này để yêu cầu quad di chuyển đến nơi tôi muốn .
(Applause)
(Vỗ tay)
(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.
Được rồi, bây giờ chắc bạn đang tự hỏi Tại sao nước không bị đổ ? Có hai sự thật: Một là, trọng lực tác động lên mọi vật theo cùng một cách. Hai là các cánh quạt của máy quad đều chỉ vào cùng một hướng với chiếc cốc, cùng chỉ lên trên. Bây giờ kết hợp hai diều này với nhau, sẽ ra kết quả là mọi lực tác động lên chiếc cốc đều nhỏ và chủ yếu chịu tác động của khí động học, khi đó tốc độ đều bị triệt tiêu do vậy bạn sẽ không cần phải tạo mô hình chiếc cốc. cho dù quad có làm gì thì nước cũng không đổ ra được
(Audience) Oh!
(Applause)
(Vỗ tay)
(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.
Có một bài học ở đây là một vài nhiệm vụ khó hơn lại thường trở nên dễ dàng hơn so với những nhiệm vụ khác và khi hiểu được cơ chế vật lý của vấn đề có thể giúp bạn biết cái gì khó và cái gì dễ Trong trường hợp này, việc mang một cốc nước là dễ dàng Việc giữ thăng bằng chiếc cọc lại là việc khó khăn.
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?
Ai trong số chúng ta cũng đều nghe về các câu chuyện của các vận động viên có thể thực hiện các màn biểu diễn trong khi đang bị chấn thương Vậy liệu một chiếc máy như quad có thể thực hiện được nhiệm vụ khi bị hư hỏng nặng không? Theo lẽ thường thì bạn cần ít nhất là 4 cánh để có thể giúp cho quad bay lên vì có 4 khả năng mà quad có thể thực hiện như: cuộn tròn, lao xuống, bay liệng và tăng tốc. với những máy bay sáu và tám cánh thì có thể thiếu một số cánh cũng không sao nhưng với máy bay 4 cánh thì phổ biến bởi nó chỉ có tối thiểu 4 cánh cố định Vậy chúng có thể làm được điều tôi vừa nói không?
(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.
Nếu phân tích mô hình toán học của quad với duy nhất 2 cánh có khả năng hoạt động chúng ta sẽ phát hiện ra rằng có một cách để nó bay Chúng tôi bỏ khả năng điều khiển việc bay liệng nhưng những khả năng còn lại như cuộn tròn, lao xuống và tăng tốc vẫn điều khiển được bằng các thuật toán sẽ giúp tìm ra cấu hình mới này các mô hình toán học sẽ nói cho chúng ta biết chính xác khi nào và tại sao có thể làm được như vậy. Trong ví dụ này, với kiến thức đó đã cho phép chúng tôi thiết kê nên những thiết kế máy mới lạ hoặc thiết kế các thuật toán thông minh giúp xử lý các hỏng hóc một cách êm xuôi giống như các vận động viên thật thay vì tạo ra các máy bay thừa cánh
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.
Chúng tôi không thể không nín thở khi xem một vận động viên nhào lộn trong nước, hoặc khi vận động viên nhẩy xào lộn vào trên không sau đó nhanh chóng tiếp đất. Liệu vận động viên lặn có thể thực hiện trọn vẹn cú lao xuống nước Liệu vận động viên nhẩy xào có thể tiếp đất chính xác? Giả dụ chúng ta muốn quad thực hiện màn bay vụt 3 lần và hoàn thành đúng điểm mà nó bắt đầu. Màn trình diễn này có thể xảy ra rất nhanh đến nỗi chúng ta không thể sử dụng việc phản hồi vị trí để chỉnh sửa chuyển động khi đang bay Vì đơn giản là không đủ thời gian. Thay vào đó, việc quad có thể thực hiện là trình diễn một cách mò mẫm hãy xem nó hoàn thành màn trình diễn này thế nào và sau đó chúng tôi sử dụng thông tin để chỉnh sửa hành vi của quad để lần bay tiếp theo sẽ diễn ra tốt đẹp hơn. Tương tự như vận động viên lặn và nhẩy xào, chỉ với việc thực hành liên tục thì màn trình diễn có thể được thực hiện và rút kinh nghiệm để đạt được hiệu quả cao nhất
(Laughter)
(Applause)
(Vỗ tay)
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?
Việc đánh trúng một quả bóng đang chuyển động là một kĩ năng cần thiết đối với nhiều môn thể thao Làm thế nào để một chiếc máy có thể thực hiện được Liệu một vận động viên có thể biểu diễn mà không cần nỗ lực không?
(Laughter)
(Applause)
(Vỗ tay)
(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.
Ngay trên đầu của quad có một cái vợt với một đốm nhỏ bằng quả táo, không quá to Cứ sau 20 phần nghìn giây thì các phép toán sau được thực hiện tương đương 50 lần mỗi giây Trước hết chúng tôi xác định vị trí quả bóng sẽ bay đến Sau đó chúng tôi tính toán xem quad sẽ đánh bóng thế nào để nó có thể bay đến vị trí bóng được ném tới Thứ 3, có một quỹ đạo được tạo ra để đưa quad từ vị trí hiện tại đến vị trí tương tác với bóng Thứ 4, Chúng tôi chỉ thực hiện giá trị của 20 phần nghìn giây cho quy trình đó Hai mươi phần nghìn giây sau, toàn bộ quy trình được lặp lại cho đến khi quad có thể đánh trúng quả bóng.
(Applause)
(Vỗ tay)
Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own, they can do it collectively. These three quads are cooperatively carrying a sky net.
Những cỗ máy không chỉ tự thực hiện các màn biểu diễn vận động mà còn thực hiện các màn biểu diễn cùng nhiều cỗ máy khác Và đây là màn trình diễn phối hợp của 3 máy bay quad để nâng tấm lưới lên
(Applause)
(Vỗ tay)
(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.
Chúng trình diễn cực kỳ xuất sắc và mang tính phối hợp cao để tung quả bóng trả lại cho tôi. Các bạn chú ý nhé, khi duỗi hết ra, những máy bay quad này sẽ ở vị trí thẳng đứng
(Applause)
(Vỗ tay)
In fact, when fully extended, this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels at the end of their launch.
Thực tế, khi mở rộng hết cỡ nó sẽ lớn hơn gấp 5 lần so với những gì mà một vận động viên nhẩy mạo hiểm có thể cảm nhận khi kết thúc cú lăng người
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.
Các thuật toán để thực hiện được động tác này thì tương tự như khi một chiếc quad đánh bóng lại phía tôi. Các mô hình toán được sử dụng nhằm không ngừng lặp lại quy trình phối hợp 50 lần mỗi giây.
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.
Những gì mà chúng ta vừa chứng kiến từ đầu tới giờ về những chiếc máy bay và khả năng của chúng. Vậy điều gì sẽ xảy ra khi chúng ta kết hợp chiếc máy thể thao này với khả năng thể thao của một con người? Trước mặt tôi lúc này là một thiết bị thương mại cảm biến hành vi chủ yếu được sử dụng để chơi trò chơi. Thiết bị này có thể nhận dạng được các bộ phận khác nhau trên cơ thể tôi khi tôi di chuyển thực tế ở ngoài Cũng tương tự như thiết bị điều khiển tôi dùng để chỉ lúc trước chúng ta cũng sử dụng thiết bị cảm biến này như một thiết bị đầu vào của hệ thống Bây giờ chúng ta có một cách tương tác tự nhiên với thuật toán của các máy quad thông qua các cử động của tôi
(Applause)
(Vỗ tay)
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.
Tương tác này không cần phải ảo. Nó có thể thực tế. Ví dụ như chiếc máy bay quad này. Nó đang cố gắng đứng yên ở một điểm cố định trong không gian. Nếu tôi cố gắng di chuyển nó đi chỗ khác, nó sẽ kháng cự lại, và sau đó lại trở về vị trí mà nó muốn. Tuy nhiên, chúng ta có thể thay đổi hành vi này. Chúng ta có thể sử dụng các mô hình toán học để tính toán lực tác động lên quad. Khi mà chúng ta biết được lực này, chúng ta có thể thay đổi các quy luật vật lý, tất nhiên là phải phù hợp với quad Và đây, máy bay quad đang chuyển động như thể nó đang
We now have an intimate way of interacting with a machine.
ở trong một dung dịch lỏng.
I will use this new capability to position this camera-carrying quad to the appropriate location for filming the remainder of this demonstration.
Giờ đây chúng ta có một cách tối ưu để tương tác với một chiếc máy. Tôi sẽ sử dụng khả năng mới này để điều khiển chiếc máy bay có gắn máy quay này tới một vị trí phù hợp để có thể ghi hình phần còn lại của quá trình mô tả này.
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.
Và như vậy chúng ta đã có thể tương tác vật lý với những chiếc máy bay bốn cánh quad đồng thời có thể thay đổi quy luật vật lý. Chúng ta cùng làm một thí dụ vui nhé. Tiếp theo bạn sẽ được chứng kiến những chiếc máy bay bốn cánh này ban đầu sẽ di chuyển như thể chúng đang ở trên sao Diêm Vương Và khi trọng lực tăng dần lên cho đến khi tất cả chúng ta quay trở về Trái đất, nhưng tôi đảm bảo với các bạn là chúng ta sẽ không thể lên đó được đâu Được rồi, bắt đầu nhé
(Laughter)
(Cười)
(Laughter)
(Cười)
(Applause)
(Vỗ tay)
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.
Úi chà! Chắc hẳn lúc này các bạn đang nghĩ những chiếc máy bay này đang vui vẻ lắm có lẽ các bạn cũng đang tự hỏi Tại sao họ lại tạo ra một cách chính xác được những vận động viên máy ? Một vài phỏng đoán về việc đóng vai trong thế giới động vật đó là các kĩ năng mài và phát triển các năng lực của bản thân. Những người khác nghĩ rằng có nhiều vai trò xã hội hơn, và nó được dùng để kết nối nhóm lại. Tương tự chúng tôi sử dụng sự bắt chước các động tác trong thể thao và các môn điền kinh để tạo ra những thuật toán mới cho các thiết bị điện tử để thúc đẩy các thiết bị này đạt đến những giới hạn của mình. Tốc độ của các thiết bị điện tử này sẽ có tác động gì lên cuộc sống của chúng ta? Cũng giống như tất cả những sáng tạo và sự cải tiến trước đây chúng đều được dùng để cải thiện khả năng của con người hoặc cũng có thể bị lạm dụng hoặc sử dụng sai mục đích Đây không phải là một lựa chọn kĩ thuật; mà là lựa chọn xã hội. Vậy thì chúng ta hãy lựa chọn cho đúng, lựa chọn đó có thể giúp tương lai của các thiết bị điện tử này trở nên tốt hơn, giống như khả năng điền kinh trong các môn thể thao có thể mang lại sự tối ưu cho chúng ta.
Let me introduce you to the wizards behind the green curtain. They're the current members of the Flying Machine Arena research team.
Bây giờ cho phép tôi giới thiệu với các bạn những ông phù thủy phía sau tấm phông xanh này Hiện tại họ là những thành viên của nhóm nghiên cứu Sân khấu trình diễn của các thiết bị bay này.
(Applause)
(Vỗ tay)
Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller and Robin Ritz. Look out for them. They're destined for great things.
Họ là Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller và Robin Ritz. Xin hãy nhìn họ. Họ sinh ra để làm nên những điều tuyệt vời.
Thank you.
Xin chân thành cảm ơn các bạn.
(Applause)
(Vỗ tay)