The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

المترجم: khalid marbou المدقّق: Ayman Mahmoud

So what does it mean for a machine to be athletic?

ما الذي يعنيه أن تكون آلة ما رياضية؟

سنعرض مفهوم رياضية الآلة

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

والبحث العلمي الذي تم القيام به لتحقيق ذلك

with the help of these flying machines called quadrocopters,

بمساعدة هذه الآلات الطائرة المسماة بالمروحيات الرباعية (quadrocopters)

or quads, for short.

أو باختصار الرباعيات (الكوادس)

Quads have been around for a long time.

كانت الرباعيات متواجدة لفترة طويلة.

They're so popular these days because they're mechanically simple.

سبب شعبيتها في الأيام الأخيرة

هي أنها بسيطة ميكانيكيا.

By controlling the speeds of these four propellers,

من خلال التحكم في سرعة هذه المراوح الأربعة،

these machines can roll, pitch, yaw,

هذه الآلات يمكنها الالتفاف والتأرجح والانعراج،

and accelerate along their common orientation.

والتسارع في الاتجاه المشترك لديها.

On board are also a battery, a computer,

على متنها أيضا بطارية وحاسوب

various sensors and wireless radios.

ومختلف أجهزة الاستشعار والراديو اللاسلكي

Quads are extremely agile, but this agility comes at a cost.

تعتبر الرباعيات رشيقة جداً، ولكن خفة الحركة هذه لها كلفتها.

They are inherently unstable,

فهي بطبيعتها غير مستقرة، وتحتاج إلى نوع

and they need some form of automatic feedback control

من التحكم بالتقييم آني لتستطيع الطيران.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

حسنا، كيف قامت بذلك للتو؟

Cameras on the ceiling and a laptop

الكاميرات في السقف وحاسوب محمول

serve as an indoor global positioning system.

يعملان كنظام تموضع عالمي داخلي.

يتم استخدامه لتحديد موقع أجسام في الفضاء

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

تتوفر على علامات عاكسة عليها.

This data is then sent to another laptop

ثم يتم إرسال هذه البيانات إلى حاسوب محمول آخر

that is running estimation and control algorithms,

يستخدم خوارزميات التقدير والتحكم،

which in turn sends commands to the quad,

والتي بدورها ترسل الأوامر إلى الرباعية،

which is also running estimation and control algorithms.

والتي تقوم كذلك بتشغيل خوارزميات التقدير والتحكم.

The bulk of our research is algorithms.

الجزء الأكبر من أبحاثنا يتعلق بالخوارزميات.

It's the magic that brings these machines to life.

وهو السحر الذي يجلب هذه الآلات للحياة.

So how does one design the algorithms that create a machine athlete?

فكيف يمكننا تصميم الخوارزميات

التي تشكّل آلة رياضية؟

We use something broadly called model-based design.

نحن نستخدم ما يسمى عموما بالتصميم المعتمد على النموذج.

We first capture the physics

نقوم أولا بالتقاط الفيزياء من خلال نموذج رياضياتي

with a mathematical model of how the machines behave.

لكيفية تصرف الآلات.

We then use a branch of mathematics called control theory

ثم نستخدم فرعا من فروع الرياضيات

يسمى بنظرية التحكم لتحليل هذه النماذج

to analyze these models

وأيضا لتوليف خوارزميات للتحكم فيها.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

For example, that's how we can make the quad hover.

وهذا على سبيل المثال، كيف يمكننا جعل الرباعية تحوم.

We first captured the dynamics with a set of differential equations.

قمنا أولا برصد الديناميكيات

من خلال مجموعة من المعادلات التفاضلية.

We then manipulate these equations with the help of control theory

ثم نقوم بمعالجة هذه المعادلات بمساعدة

نظرية التحكم لإنشاء خوارزميات تحافظ على استقرار الرباعية.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

اسمحوا لي أن أظهر قوة هذا النهج.

Suppose that we want this quad to not only hover

لنفترض أننا نريد من هذا الرباعية ألا تحوم فقط

but to also balance this pole.

ولكن أيضا أن توازن هذا العمود.

With a little bit of practice,

مع قليل من التدريب،

it's pretty straightforward for a human being to do this,

من السهل جدا على إنسان القيام بهذا،

لكننا لدينا ميزة التوفر على

although we do have the advantage of having two feet on the ground

قدمين على الأرض

واستخدام يدين متعددتي الاستعمالات.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

يصبح من الصعب أكثر قليلاً

when I only have one foot on the ground

عندما تكون لدى فقط قدم واحدة على الأرض

and when I don't use my hands.

وعندما لا أستخدم يدي.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

لاحظ كيف أن هذا العمود يتوفر على علامة في الأعلى،

which means that it can be located in the space.

ما يعني أنه يمكن موقعته في الفضاء.

(Audience) Oh!

(تصفيق)

(Applause)

(Applause ends)

يمكنكم ملاحظة كون هذه الرباعية تجري تعديلات دقيقة

You can notice that this quad is making fine adjustments

للحفاظ على توازن العمود.

to keep the pole balanced.

كيف قمنا بتصميم خوارزميات للقيام بذلك؟

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

أضفنا نموذجا رياضياتيا للعمود

to that of the quad.

لذلك الخاص بالرباعية.

Once we have a model of the combined quad-pole system,

وما إن نتوفر على نموذج للنظام من الرباعية والعمود،

we can use control theory to create algorithms for controlling it.

يمكننا استخدام نظرية التحكم لإنشاء خوارزميات للتحكم فيه.

Here, you see that it's stable,

هنا، يمكنكم أن تروا بأنها مستقرة،

and even if I give it little nudges,

وحتى لو قمت بدفعه قليلا،

it goes back --

فإنه يعود إلى موضعه الممتاز والمتوازن.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

يمكننا أيضا الزيادة في النموذج ليشمل

to include where we want the quad to be in space.

حيث نريد للرباعية أن تكون في الفضاء.

Using this pointer, made out of reflective markers,

باستخدام هذا المؤشر، المصنوع من العلامات العاكسة،

I can point to where I want the quad to be in space

يمكن أن أشير إلى حيث أريد الرباعية أن تكون في الفضاء

a fixed distance away from me.

مسافة ثابتة بعيداً عني.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

المفتاح لهذه المناورات البهلوانية هي الخوارزميات،

designed with the help of mathematical models

المصممة بمساعدة النماذج الرياضية

and control theory.

ونظرية التحكم.

Let's tell the quad to come back here

دعونا نأمر الرباعية بالعودة إلى هنا

and let the pole drop,

ونجعل العمود يسقط،

and I will next demonstrate the importance

سأقوم لاحقا بعرض أهمية

فهم النماذج الفيزيائية

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

وطرق عمل العالم المادي.

Notice how the quad lost altitude when I put this glass of water on it.

لاحظ كيف فقدت الرباعية العلو

عندما أضع كوب الماء هذا فوقها.

Unlike the balancing pole,

وخلافا للعمود الموازن، لم أقم بتضمين

I did not include the mathematical model of the glass

النموذج الرياضي للكأس في النظام.

in the system.

في الواقع، فالنظام لا يعرف حتى أن كوب الماء يوجد هناك.

In fact, the system doesn't even know that the glass is there.

وكما فعلت سابقا، يمكن أن أستخدم المؤشر لإخبار الرباعية

Like before, I could use the pointer to tell the quad

where I want it to be in space.

بحيث أريدها أن تكون في الفضاء.

(تصفيق)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

حسنا، ينبغي أن تسأل نفسك،

why doesn't the water fall out of the glass?

لماذا لا تسقط المياه من الكأس؟

Two facts.

حقيقتان: الأولى أن الجاذبية تنطبق

The first is that gravity acts on all objects in the same way.

على كل الكائنات بنفس الطريقة.

The second is that the propellers

والثاني أن المراوح تشير جميعها إلى

are all pointing in the same direction of the glass, pointing up.

الاتجاه نفسه مثل الكأس، نحو الأعلى.

You put these two things together,

وحين تضع هذين الأمرين معا، النتيجة

the net result is that all side forces on the glass are small

هي أن جميع القوى الجانبية المطبقة على الكأس تكون صغيرة

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

وتهيمن عليها أساسا التأثيرات الهوائية،

which at these speeds are negligible.

والتي تعتبر مهملة في هذه السرعات.

And that's why you don't need to model the glass.

ولهذا لا نحتاج إلى نمذجة الكأس.

It naturally doesn't spill, no matter what the quad does.

وبطبيعة الحال لا ينسكب بغض النظر عما تفعله الرباعية.

(Audience) Oh!

(Applause)

(تصفيق)

(Applause ends)

The lesson here

الدرس المستفاد هنا هو أن بعض المهام عالية الأداء

is that some high-performance tasks are easier than others,

هي أسهل من غيرها،

and that understanding the physics of the problem

وأن فهم فيزياء المشكلة

tells you which ones are easy and which ones are hard.

يخبرك بتلك التي هي سلهة وتلك الصعبة.

In this instance, carrying a glass of water is easy.

في هذه الحالة، فإنه من السهل حمل كوب من الماء.

Balancing a pole is hard.

وموازنة عمود أمر صعب.

We've all heard stories of athletes performing feats while physically injured.

جميعنا سمعنا بقصص الرياضيين

الذين حققوا انتصارات وهم مصابون.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

هل يمكن للآلة كذلك أن تقوم بالأداء

مع الأضرار المادية الشديدة؟

Conventional wisdom says

تقول الحكمة التقليدية أنك في حاجة إلى

that you need at least four fixed motor propeller pairs in order to fly,

أربعة من المحركات المروحية على الأقل لتستطيع الطيران،

because there are four degrees of freedom to control:

لأنه هناك أربع درجات من الحرية للتحكم:

roll, pitch, yaw and acceleration.

الالتفاف والتأرجح والانعراج والتسارع.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

المروحيات السداسية والثمانية بست وثمان محركات،

can provide redundancy,

يمكنها توفير فائض،

but quadrocopters are much more popular

لكن المروحيات الرباعية أكثر شعبية

because they have the minimum number of fixed motor propeller pairs: four.

لتوفرها على الحد الأدنى

من أزواج المحركات المروحية الثابتة: أربعة.

Or do they?

أم هي كذلك؟

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

إن قمنا بتحليل النموذج الرياضياتي لهذه الآلة

with only two working propellers,

بمحركين اثنين فقط،

we discover that there's an unconventional way to fly it.

نكتشف أن هناك طريقة غير تقليدية للطيران بها.

We relinquish control of yaw,

نتخلى عن التحكم في الانعراج،

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

لكن لا يزال بإمكاننا التحكم في الالتفاف والتأرجح والتسارع

with algorithms that exploit this new configuration.

بخوارزميات تستغل هذا التكوين الجديد.

Mathematical models tell us exactly when and why this is possible.

النماذج الرياضية تقول لنا بالضبط متى

و لماذا يكون هذا ممكنا.

In this instance, this knowledge allows us to design

في هذه الحالة، هذه المعرفة تسمح لنا بتصميم

novel machine architectures

تصاميم هندسية لآلات جديدة

أو بتصميم خوارزميات ذكية تتعامل مع الأضرار برشاقة،

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

مثلما يفعل الرياضيون البشر،

instead of building machines with redundancy.

بدلاً من بناء آلات بفائض.

We can't help but hold our breath

لا يسعنا سوى أن نحبس أنفاسنا حين نرى

when we watch a diver somersaulting into the water,

غطاسا يتشقلب ليسثط في الماء،

or when a vaulter is twisting in the air,

أو عندما يتلوى واثب في الهواء،

وهو يقترب من السطح.

the ground fast approaching.

Will the diver be able to pull off a rip entry?

هي يستطيع الغطاس أن يحقق دخولا ممزّقا؟

Will the vaulter stick the landing?

هل يتمكن الواثب من تحقيق سقوط ثابت؟

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

لنفترض أننا نريد من الرباعية أن تكون هنا

لأداء شقلبة ثلاثية والانتهاء

and finish off at the exact same spot that it started.

بالضبط في نفس المكان التي بدأت منه.

This maneuver is going to happen so quickly

ستحدث هذه المناورة بسرعة هائلة لدرجة

that we can't use position feedback to correct the motion during execution.

أنه لا يمكننا استخدام التغذية الرجعية للموقع لتصحيح الحركة أثناء تنفيذها.

There simply isn't enough time.

ليس هناك ما يكفي من الوقت ببساطة.

Instead, what the quad can do is perform the maneuver blindly,

بدلاً من ذلك، فإن ما يمكن للرباعية القيام به هو أداء المناورة بشكل أعمى،

observe how it finishes the maneuver,

لاحظ كيف أنها تنتهي من المناورة،

and then use that information to modify its behavior

ومن ثم تستخدم تلك المعلومات لتعديل سلوكها

so that the next flip is better.

بحيث أن الشقلبة المقبلة تكون أفضل.

Similar to the diver and the vaulter,

ومثل الغطاس والواثب،

it is only through repeated practice

فإنه وفقط من خلال التدريب المتكرر

that the maneuver can be learned and executed

يمكن تعلّم هاته المناورة وتنفيذها

to the highest standard.

بأعلى مستوى.

(Laughter)

(Applause)

(تصفيق)

Striking a moving ball is a necessary skill in many sports.

ضرب كرة متحركة مهارة لازمة في العديد من الألعاب الرياضية.

كيف يمكننا جعل آلة تقوم بما

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

يقوم به رياضي من دون بذل جهد باد؟

(Laughter)

(تصفيق)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

وتتوفر هذه الرباعية على مضرب مربوط على رأسها

with a sweet spot roughly the size of an apple, so not too large.

بمنطقة تماس قصوي بحجم تفاحة، فهي ليست بالكبيرة إذن.

يتم إجراء العمليات الحسابية التالية كل 20 مللي ثانية،

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

أو 50 مرة في الثانية الواحدة.

We first figure out where the ball is going.

أولاً علينا معرفة أين ستذهب الكرة.

We then next calculate how the quad should hit the ball

ثم نقوم بحساب كيف ينبغي على الرباعية ضرب الكرة

بحيث تطير نحو المكان الذي رميت منه.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

ثالثا، يتم تخطيط مسار يقوم بحمل الرباعية

from its current state to the impact point with the ball.

من موقعها الحالي إلى موضع التماس مع الكرة.

Fourth, we only execute 20 milliseconds' worth of that strategy.

رابعا، نقوم فقط بتنفيذ ما مقداره 20 ميلي ثانية من تلك الاستراتيجية.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

20 ميلي ثانية في وقت لاحق، يتم تكرار العملية برمتها

until the quad strikes the ball.

حتى تضرب الرباعية الكرة.

(Applause)

(تصفيق)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

لا تستطيع الآلات تنفيذ مناورات ديناميكية من تلقاء نفسها فقط،

they can do it collectively.

يمكنها القيام بذلك بشكل جماعي.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

هذه الرباعيات الثلاثة تحمل شبكة.

(Applause)

(تصفيق)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

تقوم بتأدية مناورة في غاية

الديناميكية والتعاونية

to launch the ball back to me.

لإرجاع الكرة إلي.

Notice that, at full extension, these quads are vertical.

لاحظ أنه، حين تتمدد بشكل كامل، فإن هذه الرباعيات تكون عمودية.

(Applause)

(تصفيق)

In fact, when fully extended,

في الواقع، عندما تكون ممتدة تماما،

this is roughly five times greater than what a bungee jumper feels

يقدر ذلك بأكثر من خمسة أضعاف ما يحس به القافز بالحبال

at the end of their launch.

في نهاية قفزته.

The algorithms to do this are very similar

الخوارزميات التي تقوم بذلك مشابهة جداً

to what the single quad used to hit the ball back to me.

لتلك المستخدمة من طرف رباعية واحدة لإرجاع الكرة إلي.

Mathematical models are used to continuously re-plan

وتستخدم النماذج الرياضية بشكل مستمر لإعادة التخطيط

a cooperative strategy 50 times per second.

لاستراتيجية تعاونية 50 مرة في الثانية الواحدة.

Everything we have seen so far has been about the machines and their capabilities.

كل ما رأيناه لحد الآن كان

حول الآلات وقدراتها.

What happens when we couple this machine athleticism

ماذا يحدث عندما ندمج زوجين رياضية هذه الآلات

with that of a human being?

مع تلك الخاصة بالإنسان؟

What I have in front of me is a commercial gesture sensor

ما يوجد أمامي هو مستشعر إيماءات تجاري

mainly used in gaming.

يستخدم أساسا في الألعاب.

It can recognize what my various body parts

يمكنه التعرف على ما هو تقوم به مختلف أعضاء جسدي

are doing in real time.

في الوقت الحقيقي.

Similar to the pointer that I used earlier,

مماثل للمؤشر الذي استعملته سابقا،

we can use this as inputs to the system.

يمكننا استخدام هذا كمدخلات للنظام.

We now have a natural way of interacting

ولدينا الآن وسيلة طبيعية للتفاعل

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

بيين الحركات الرياضية لهاته الرباعيات مع حركاتي.

(Applause)

(تصفيق)

ليس بالضرروة أن يكون التفاعل افتراضيا. بإمكانه أن يكون ماديا.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

خذ هذه الرباعية على سبيل المثال.

It's trying to stay at a fixed point in space.

هي تحاول البقاء في نقطة ثابتة في الفضاء.

If I try to move it out of the way, it fights me,

إن أردت تحريكها تقاومني،

and moves back to where it wants to be.

وتعود إلى حيث تريد أن تكون.

We can change this behavior, however.

لكن يمكننا تغيير هذا السلوك.

We can use mathematical models

يمكننا استخدام النماذج الرياضية

to estimate the force that I'm applying to the quad.

لتقدير القوة التي أطبقها على الرباعية.

Once we know this force, we can also change the laws of physics,

وبمجرد معرفتنا للقوة، يمكننا تغيير القوانين الفيزيائية،

as far as the quad is concerned, of course.

بقدر ما يتعلق ذلك بالرباعية بالطبع.

Here, the quad is behaving as if it were in a viscous fluid.

وهنا تتصرف الرباعية وكأنها

في سائل لزج.

We now have an intimate way of interacting with a machine.

ولدينا الآن طريقة حميمية

للتفاعل مع الآلة.

I will use this new capability to position

وسوف أستخدم هذه القدرة الجديدة لموضعة

this camera-carrying quad to the appropriate location

هذه الرباعية الحاملة للكاميرا في الموقع المناسب

for filming the remainder of this demonstration.

لتصوير ما تبقى من هذا العرض.

So we can physically interact with these quads

إذن يمكننا التفاعل مع هذه الرباعيات ماديا

and we can change the laws of physics.

ونستطيع تغيير القوانين الفيزيائية.

Let's have a little bit of fun with this.

دعونا نلعب قليلا بهذا.

For what you will see next,

وفيما سترونه لاحقا، هذه الرباعيات

these quads will initially behave as if they were on Pluto.

ستتصرف مبدئيا وكأنها موجودة على بلوتو.

As time goes on, gravity will be increased

مع مرور الوقت، ستزداد الجاذبية

until we're all back on planet Earth,

حتى نعود إلى كوكب الأرض،

but I assure you we won't get there.

ولكن أود أن أؤكد لكم أننا لن نستطيع الوصول هناك.

Okay, here goes.

حسنا، هيا بنا.

(Laughter)

(ضحك)

(Laughter)

(ضحك)

(Applause)

(تصفيق)

Whew!

يا للعجب!

كلكم تفكرون الآن،

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

هؤلاء الأشخاص يلهون أكثر من اللازم

and you're probably also asking yourself,

وربما قد تتساءلون كذلك،

why exactly are they building machine athletes?

حول السبب الذي جعلنا نبني آلات رياضية؟

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

البعض يظن بأن دور اللعب في المملكة الحيوانية

هو صقل المهارات وتنمية القدرات.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

يرى آخرون أن له دورا اجتماعيا أكثر،

that it's used to bind the group.

وهو يستخدم لتوطيد الصلات بين المجموعة.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

وبالمثل، نحن نستخدم هذا التناظر الوظيفي للرياضة والألعاب الرياضية

to create new algorithms for machines

لإنشاء خوارزميات جديدة لآلات

to push them to their limits.

لدفعها نحو حدودها.

What impact will the speed of machines have on our way of life?

كيف ستؤثر سرعة الآلات على طريقة حياتنا؟

Like all our past creations and innovations,

مثل جميع اختراعاتنا وإبداعاتنا في الماضي

they may be used to improve the human condition

يمكنها أن تستخدم لتحسين وضعية البشر

or they may be misused and abused.

أو قد يساء استخدامها فتستخدم في المفاسد.

This is not a technical choice we are faced with;

لسنا نواجه خيارا تقنيا هنا،

it's a social one.

إنها قضية اجتماعية.

Let's make the right choice,

دعونا نتخذ القرار الصائب،

the choice that brings out the best in the future of machines,

الخيار الذي يتيح لنا ضمان المستقبل الأفضل للآلات،

just like athleticism in sports can bring out the best in us.

تماما كما تستطيع الألعاب الرياضية في مجال الرياضة

أن تبرز أفضل ما فينا.

Let me introduce you to the wizards behind the green curtain.

اسمحوا لي أن أعرض لكم السحرة وراء الستار الأخضر.

They're the current members of the Flying Machine Arena research team.

إنهم الأعضاء الحاليون في فريق بحث "حلبة الآلات الطائرة".

(Applause)

(تصفيق)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

فيديريكو أوغوغليارو وداريو بريسسيانيني وماركوس هيهن،

Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller and Robin Ritz.

سيرغي لوباشين ومارك مولر وروبن ريتز.

Look out for them. They're destined for great things.

اعتنوا بهم. مقدّر لهم تحقيق أمور عظيمة.

شكرا لكم.

Thank you.

(Applause)

(تصفيق)