The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Translator: Ger K. Reviewer: Yavor Ivanov

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

Какво означава за една машина да е атлетична?

Ще демонстрираме концепцията за машинен атлетизъм

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

и проучванията да бъде постигнат

with the help of these flying machines called quadrocopters,

с помощта на тези летящи машини наречени квадракоптери

or quads, for short.

или куади, за кратко.

Quads have been around for a long time.

Куадът е наоколо от дълго време.

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

Причината за популярността им тези дни

е че са машинно прости.

By controlling the speeds of these four propellers,

Чрез контролиране на скоростта на тези 4ри пропелера

these machines can roll, pitch, yaw,

машните могат да се търкалят, накланят

and accelerate along their common orientation.

и ускоряват около обичайната им ориентация.

On board are also a battery, a computer,

На борда си също имат батерия, процесор,

various sensors and wireless radios.

няколко сензора и wireless радио.

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

Куадът е изключително гъвкав, но тази гъвкавост идва с цена.

They are inherently unstable,

Те са нестабилни и имат нужда от някакъв вид

and they need some form of automatic feedback control

автоматична обратна връзка, за да могат да летят.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Как направих това?

Cameras on the ceiling and a laptop

Камери на тавана и лаптоп

serve as an indoor global positioning system.

служат като вътрешен GPS.

Използва се, за да локализира обекти в пространството

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

които имат от тези рефлективни маркери по себе си.

This data is then sent to another laptop

Данни се пращат до друг лаптоп след това,

that is running estimation and control algorithms,

който изчислява и контролира алгоритмите,

which in turn sends commands to the quad,

които от своя страна пращат команди до куада,

which is also running estimation and control algorithms.

който също изчислява и контролира алгоритми.

The bulk of our research is algorithms.

В голямата си част нашето проучване е за тези алгоритми.

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

Те са магията, която оживява машините.

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

Как се изработват тези алгоритми,

които правят от машината атлет?

We use something broadly called model-based design.

Използваме така наречения най-общо казано моделно базиран дизайн.

We first capture the physics

Първо взимаме предвид как машината са държи във физически аспект

with a mathematical model of how the machines behave.

чрез математически модел.

We then use a branch of mathematics called control theory

След това използваме клон на математиката

наречен контролна теория, за да анализираме модела

to analyze these models

и да синтезираме алгоритми, които го контролират.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Например така караме куада да стои на едно място.

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

Първо изчисляваме динамиката

чрез набор диференциални уравнения.

We then manipulate these equations with the help of control theory

След това манипулираме уравненията с помощта на

на контролната теория, за да създадем алгоритми, които стабилизират куада.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Нека ви демонстрирам плюсовете на този подход.

Suppose that we want this quad to not only hover

Нека предположим, че искаме този куад не само да стои на едно място,

but to also balance this pole.

но и да балансира върху пръчка.

With a little bit of practice,

С малко практика

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

това е нещо сравнително лесно за човек,

но ние имаме предимството да сме стъпили

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

с два крака на земята

и ползваме нашите способни ръце.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Става по-трудно,

when I only have one foot on the ground

ако стъпя само с един крак

and when I don't use my hands.

и когато не ползвам ръцете си.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Забележете рефлективния маркер върху пръчката,

which means that it can be located in the space.

който означава, че тя може да бъде локализирана в пространството.

(Audience) Oh!

(Аплодисменти)

(Applause)

(Applause ends)

Може да видите как куада прави малки настройки,

You can notice that this quad is making fine adjustments

за да продължи да бъде балансиран.

to keep the pole balanced.

Как направихме алгоритмите за това?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Добавихме математическия модел на пръчката

to that of the quad.

към този на куада.

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

Когато имаме готовия модел на комбинацията от куад-пръчка

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

можем да използваме контролната теория, за да създадем алгоритмите.

Here, you see that it's stable,

Виждате, че е стабилен

and even if I give it little nudges,

и дори и да го побутна

it goes back --

се връща обратно към добра, балансирана позиция.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Бихме могли да добавим към този модел

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

къде бихме искали да бъде куада в пространството.

Using this pointer, made out of reflective markers,

С този пойнтър, направен от рефлективни маркери

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

мога да посоча къде искам куадът да бъде в пространството

a fixed distance away from me.

на определено разстояние от мен.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Ключът към тези акробатични умения са алгоритмите

designed with the help of mathematical models

направени с помощта на математическите модели

and control theory.

и контролната теория.

Let's tell the quad to come back here

Нека да кажем на куада да се върне

and let the pole drop,

и да оставим пръчката да падне,

and I will next demonstrate the importance

и ще ви демонстрирам важността

на разбирането на физическите модели

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

и работата на физическия свят.

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

Забележете как куада изгуби височина,

когато поставих тази чаша с вода върху него.

Unlike the balancing pole,

За разлика от пръта за балансиране не включих

I did not include the mathematical model of the glass

математическия модел на чашата в системата.

in the system.

Всъщност, системата даже не знае, че чашата вода е там.

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

Като преди бих могъл да ползвам пойнтера да кажа на куада

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

where I want it to be in space.

къде искам да бъде в пространството.

(Аплодисменти)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Добре, би трябвало да се питате,

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

защо водата не се излива от чашата?

Two facts.

Два факта: първият, че гравитацията действа

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

на всички обекти по един и същ начин.

The second is that the propellers

Вторият е че всички перки сочат

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

в посоката на чашата, нагоре.

You put these two things together,

Вземете двете заедно и резултатът е,

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

че всички странични сили действащи на чашата са малки

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

и предимно доминирани от аеродинамични ефекти,

which at these speeds are negligible.

което при тази скорост е пренебрежимо.

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

И затова не трябва модел за чашата.

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

Тя естествено не се разлива без значение какво прави куада.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Аплодисменти)

(Applause ends)

The lesson here

Урокът тук е че някои трудни задачи

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

са по-лесни от други

and that understanding the physics of the problem

и разбирането на физичните процеси част от проблема

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

ни казват кои са лесни и кои са по-трудни.

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

В този случай носенето на чаша вода е лесно.

Balancing a pole is hard.

Балансирането е трудно.

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

Всички сме чували истории за атлети

изпълняващи постижения, докато са физически наранени.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Може ли машината също да работи

с изключителна физическа повреда?

Conventional wisdom says

Обичайно са нужни

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

поне четири фиксирани моторни перки за летене,

because there are four degrees of freedom to control:

защото има 4 посоки на действие:

roll, pitch, yaw and acceleration.

завъртане, нагоре, надолу и ускорение.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Хексакоптерите и октокоптерите, с шест и осем перки,

can provide redundancy,

осигуряват резерва,

but quadrocopters are much more popular

но квадракоптерите са много по-популярни,

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

защото имат минималния нужен брой

фиксирани перки: четири.

Or do they?

Дали е така?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Ако анализираме математическият модел на машината

with only two working propellers,

със само две работещи перки

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

научаваме, че има и нетрадиционни начини за летене.

We relinquish control of yaw,

Изгубваме контрола върху нагоре/надолу,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

но завъртане, наляво/надясно и ускорение все още могат да се управляват

with algorithms that exploit this new configuration.

с алгоритми, които ползват новата конфигурация.

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

Математическия модел ни казва точно кога

и защо това е възможно.

In this instance, this knowledge allows us to design

В този случай, знанието ни позолява да създадем

novel machine architectures

нов вид машинна архитектура

или да създадем умни алгоритми, които грациозно да покриват загуби,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

точно като хора атлети биха били,

instead of building machines with redundancy.

вместо да строим машини с резервни части.

We can't help but hold our breath

Не можем да не затаим дъх докато гледаме

when we watch a diver somersaulting into the water,

гмуркач акробатично влизащ във водата

or when a vaulter is twisting in the air,

или състезател по овчарски скок, извит във въздуха,

със земята приближаваща се бързо към него.

the ground fast approaching.

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

Ще може ли гмуркачът да направи идеалния скок?

Will the vaulter stick the landing?

Ще успее ли скачачът да не закачи летвата?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Нека предположим, че искаме куадът ни

да направи тройно кълбо и да завърши на същото място

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

от където е започнал.

This maneuver is going to happen so quickly

Тази маневра ще стане толкова бързо,

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

че не можем да използваме позиционни данни, за да коригираме по време на изпълнение.

There simply isn't enough time.

Няма достатъчно време.

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

Вместо това, куадът ще го направи на сляпо,

observe how it finishes the maneuver,

ще види как завършва маневрата

and then use that information to modify its behavior

и след това с тази информация ще модифицира изпълнението,

so that the next flip is better.

за да направи следващото премятане по-добро.

Similar to the diver and the vaulter,

Подобно на гмуркача и скачача

it is only through repeated practice

само чрез повтаряне и практика

that the maneuver can be learned and executed

ще се научи да изпълнява маневрата

to the highest standard.

възможно най-добре.

(Laughter)

(Applause)

(Аплодисменти)

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

Да се уцели движеща се топка е нужно умение в много спортове.

Как да направим така, че машината

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

да извърши каквото прави атлета, без усилие?

(Laughter)

(Аплодисменти)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Този куад има хилка залепена за главата си

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

чийто правилен център е грубо около размера на ябълка, т.е. не много голям.

Прави изчисления на всеки 20 милисекунди

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

или с други думи 50 пъти в секунда.

We first figure out where the ball is going.

Първо трябва да уточним накъде отива топката.

We then next calculate how the quad should hit the ball

След това изчисляваме как куада трябва да я удари,

така че да се върне където е била хвърлена.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Трето, траекторията се планира така, че

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

куадът се пренася от позиция си до топката.

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

Четвърто изпълняваме го за 20 милисекунди.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

20 милисекунди по-късно процеса се повтаря,

until the quad strikes the ball.

докато куада удари топката.

(Applause)

(Аплодисменти)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Машината може не само да изпълни динамични маневри сама

they can do it collectively.

тя може да го направи колективно.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Тези три куада си кооперират носейки мрежата.

(Applause)

(Аплодисменти)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Те изпълняват драматична

и колективна маневра,

to launch the ball back to me.

за да хвърлят топката обратно към мен.

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

Забележете, че при пълно разтягане куадите са вертикални.

(Applause)

(Аплодисменти)

In fact, when fully extended,

В този момент, на пълно разтягане

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

те чувстват около 5 пъти повече напрежение от скачач с бънджи

at the end of their launch.

на края на скока си.

The algorithms to do this are very similar

Алгоритмите за това са много подобни

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

на това, което един куад прави, за да ми върне топката.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Математически модели се ползват постоянно, за да препланират

a cooperative strategy 50 times per second.

кооперативната им стратегия 50 пъти в секунда.

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

Всичко досега бе

за машините и техните възможности.

What happens when we couple this machine athleticism

Какво би станало ако комбинираме атлетизма на машината

with that of a human being?

с тази на човешко същество?

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

Пред себе си имам комерсиален сензор за жестове

mainly used in gaming.

ползван главно при компютърни игри.

It can recognize what my various body parts

Може да разпознава какво правят моите крайници

are doing in real time.

в реално време.

Similar to the pointer that I used earlier,

Подобно на маркера, който използвах по-рано,

we can use this as inputs to the system.

можем да използваме сензора за входни данни в системата.

We now have a natural way of interacting

Сега имаме естествен начин за интеракция

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

с движенията на куад-овете чрез моите жестове.

(Applause)

(Аплодименти)

Интеракцията не е нужно нужно да бъде виртуална. Би могла да е и физическа.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Вземете този куад например -

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

той се опитва да остане във фиксирана точка в пространството.

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

Ако го преместя ще се бори с мен

and moves back to where it wants to be.

и ще се преченти веднага, където иска да е.

We can change this behavior, however.

Можем да променим това поведение, разбира се.

We can use mathematical models

Можем да ползваме математически модели,

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

за да оценим силата, която прилагам върху куада.

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

Знаейки тази сила можем да променим законите на физиката,

as far as the quad is concerned, of course.

разбира се, доколкото това касае куада.

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

Тук той се държи

сякаш е потопен в гъста течност.

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

Сега имаме близък начин

за интеракция с машина.

I will use this new capability to position

Ще използвам тази нова възможност да позиционирам

this camera-carrying quad to the appropriate location

куад с камера на удачно място

for filming the remainder of this demonstration.

за заснемане на остатъка от демонстрацията.

So we can physically interact with these quads

Можем физически да общуваме с куад-овете

and we can change the laws of physics.

и можем да променяме законите на физиката.

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

Нека се позабавляваме с това.

For what you will see next,

Това, което ще видите сега, тези куадове,

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

в началото ще се държат сякаш са на Плутон.

As time goes on, gravity will be increased

С времето гравитацията ще се увеличава,

until we're all back on planet Earth,

докато не се завърнем на Земята,

but I assure you we won't get there.

но ви уверявам че няма да стигнем до там.

Okay, here goes.

Добре, започваме.

(Laughter)

(Смях)

(Laughter)

(Смях)

(Applause)

(Аплодисменти)

Whew!

Ох!

Сигурно си мислите -

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

тези момчета се забавляват твърде много

and you're probably also asking yourself,

и вероятно се питате,

why exactly are they building machine athletes?

защо по-точно те строят тези атлетични машини?

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Някои скачат на заключението, че ролята на играта

в животинското царство е да създава умения.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Други смятат, че тя има по-скоро социална роля,

that it's used to bind the group.

да сплотява групата.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

По подобен начин ние използваме аналогията със спорт и атлетизъм

to create new algorithms for machines

да създаваме нови алгоритми за машините,

to push them to their limits.

да ги накараме да достигнат лимита си.

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

Какъв ефект ще има скоростта на машините в живота ни?

Like all our past creations and innovations,

Като предишните ни създания и иновации

they may be used to improve the human condition

те биха могли да се ползват за подобряване на човешкия живот

or they may be misused and abused.

или по грешен и нереден начин.

This is not a technical choice we are faced with;

Този избор не е технически,

it's a social one.

а социален.

Let's make the right choice,

Нека направим правилния избор,

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

избора който ще донесе най-доброто в бъдещето на машините

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

точно така както атлетизмът и спорта

могат да извадят най-доброто от нас.

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

Нека ви представя на магьосниците зад зелената завеса.

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

Те са настоящите членове на изследователския екип "Летящата машина"

(Applause)

(Аплодисменти)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini , Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller и Robin Ritz.

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

Ослушвайте се за тях, предстоят им велики неща.

Благодаря ви.

Thank you.

(Applause)

(Аплодисменти)