The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Translator: Pol Del Aguila Pla Reviewer: Rixi Almenar

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

Així què, que vol dir per una màquina, ser atlètica?

Avui ensenyarem com el concepte d'atletisme pot ser aplicat a màquines,

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

així com la recerca necessària per aconseguir-ho,

with the help of these flying machines called quadrocopters,

amb l'ajuda d'aquestes màquines voladores que anomenem quadricòpters.

or quads, for short.

O bé "quads", per escurçar.

Quads have been around for a long time.

Els quads porten inventats ja una bona temporada.

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

El motiu pel qual se'n sent més a parlar aquests dies,

és que són mecànicament molt simples.

By controlling the speeds of these four propellers,

Controlant la velocitat d'aquests quatre rotors,

these machines can roll, pitch, yaw,

aquestes màquines poden girar endavant i enrrere, cap als costats, sobre el seu eix,

and accelerate along their common orientation.

i accelerar en la direcció perpendicular als motors.

On board are also a battery, a computer,

Dins dels quads també hi va una bateria, un ordinador,

various sensors and wireless radios.

diversos sensors, i dispositius de comunicacions ràdio.

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

Els quads són extremadament àgils, però amb un cost.

They are inherently unstable,

Són intrínsecament inestables, i per tant necessiten algun tipus

and they need some form of automatic feedback control

de control automàtic sobre la seva posició per poder volar.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Què, com ha fet això?

Cameras on the ceiling and a laptop

Les càmeres del sostre i un portàtil

serve as an indoor global positioning system.

proporcionen un sistema de posicionament global en aquesta sala.

Donen informació sobre la posició en l'espai d'objectes

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

que porten aquestes boles reflectores.

This data is then sent to another laptop

Aquestes dades s'envien a un altre portàtil

that is running estimation and control algorithms,

que executa algorismes d'estimació i control

which in turn sends commands to the quad,

i envia comandes al quad,

which is also running estimation and control algorithms.

que també executa els seus propis algorismes d'estimació i control.

The bulk of our research is algorithms.

Per tant, la major part de la nostra recerca són algorismes.

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

Són la màgia, que d'alguna manera, dóna vida a aquestes màquines.

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

Però com es poden dissenyar els algorismes

que donen vida a aquests atletes mecanitzats?

We use something broadly called model-based design.

Fem servir tècniques que s'engloben en el que s'anomena disseny basat en model.

We first capture the physics

Primer, capturem les relacions físiques amb un model matemàtic

with a mathematical model of how the machines behave.

de com es comporten les màquines.

We then use a branch of mathematics called control theory

Després fem servir una branca de les matemàtiques,

que s'anomena teoria del control, per analitzar els models matemàtics,

to analyze these models

i generar algorismes per controlar els quads.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Per exemple, així és com aconseguim que el quad es mantingui estable i pugui volar:

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

Primer, capturem la dinàmica del problema

amb un conjunt d'equacions diferencials.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Després manipulem i aproximem aquestes equacions amb l'ajuda

de la teoria de control per crear algorismes que estabilitzin el quad.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Deixeu-me que us demostri quan robusta és aquesta manera de procedir.

Suppose that we want this quad to not only hover

Suposem que volem que aquest quad, no només voli ell mateix,

but to also balance this pole.

sinó que també sigui capaç de carregar i mantenir estable aquesta vara.

With a little bit of practice,

Amb una mica de pràctica,

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

és fàcil per un humà fer-ho,

tot i que nosaltres tenim l'avantatge de tenir

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

els dos peus fixats a terra

i utilitzar les nostres versàtils mans.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

És una mica més difícil

when I only have one foot on the ground

quan s'intenta amb només un peu al terra

and when I don't use my hands.

i quan no faig servir les mans.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Teniu en compte, però, que aquesta vara té una bola reflectora a la punta,

which means that it can be located in the space.

i per tant pot ser localitzada en l'espai pel nostre sistema.

(Audience) Oh!

(Aplaudiments)

(Applause)

(Applause ends)

Podreu veure que el quad fa petits ajustos

You can notice that this quad is making fine adjustments

que li permeten mantenir la vara estable.

to keep the pole balanced.

Com dissenyem els algorismes per fer-ho?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Simplement afegim el model matemàtic de la vara

to that of the quad.

al que ja fèiem servir del quad.

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

Un cop tenim el model del sistema conjunt quad+vara,

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

fem servir la teoria de control per crear els algorismes que controlin i estabilitzin el sistema.

Here, you see that it's stable,

Ja esteu veient ara mateix que és estable,

and even if I give it little nudges,

i encara més, si lo dono copets,

it goes back --

torna cap a una posició còmoda i estable.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

També podem augmentar el model per especificar

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

on exactament volem el quad dins l'espai de la sala.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Fent servir aquest punter, fet de boles reflectores,

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

puc apuntar a qualsevol lloc on hi vulgui posar el quad,

a fixed distance away from me.

a una distància fixa d'on sóc jo.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

La clau per aquestes maniobres acrobàtiques són els algorismes,

designed with the help of mathematical models

dissenyats amb l'ajuda de models matemàtics

and control theory.

i teoria de control.

Let's tell the quad to come back here

Diguem-li doncs al quad que vingui cap aquí,

and let the pole drop,

i deixi caure la vara,

and I will next demonstrate the importance

i així us podré demostrar la importància

que té entendre els models físics

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

i el funcionament del món físic.

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

Observeu que el quad ha perd altura,

quan hi he posat el got d'aigua a sobre.

Unlike the balancing pole,

Però ara no he fet com amb la vara, no he inclòs

I did not include the mathematical model of the glass

el model matemàtic del got al sistema.

in the system.

De fet, el sistema no en té ni idea de què el got d'aigua hi és.

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

Com abans, puc fer servir aquest punter per dir-li al quad

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

where I want it to be in space.

on el vull en l'espai.

(Aplaudiments)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Però, us hauríeu d'estar preguntant,

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

perquè no es vessa l'aigua del got?

Two facts.

Dos factors: Primer, la gravetat actua

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

sobre tots els objectes de la mateixa manera.

The second is that the propellers

Segon, els propulsors sempre apunten

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

cap a la mateixa direcció que el got, amunt.

You put these two things together,

Si tenim en compte aquests dos factors, el resultat net

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

és que totes les forces laterals en aquest got són molt petites,

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

i són en gran part causades només per efectes aerodinàmics

which at these speeds are negligible.

que es poden menysprear a aquestes velocitats.

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

I aquest és el motiu pel qual no cal modelar el got.

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

Simplement per les lleis de la física l'aigua no vessa sense importar què faci el quad.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Aplaudiments)

(Applause ends)

The lesson here

La lliçó a treure'n de tot això és que algunes tasques

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

són més difícils que les altres,

and that understanding the physics of the problem

i que entendre la física del problema

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

diu molt sobre quines són difícils i quines no.

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

En aquest cas, portar un got d'aigua és fàcil,

Balancing a pole is hard.

equilibrar la vara, és difícil.

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

Tots hem sentit històries d'atletes

aconseguint noves marques i proeses mentre estaven lesionats.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Pot també una màquina rendir

severament feta malbé?

Conventional wisdom says

Convencionalment es creu que es necessiten

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

com a mínim quatre propulsors fixes per tal de volar,

because there are four degrees of freedom to control:

perquè hi ha quatre graus de llibertat a controlar:

roll, pitch, yaw and acceleration.

balanç lateral, frontal, gir sobre l'eix i acceleració.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Els hexacòpters i octocòpters, amb sis i vuit propulsors respectivament,

can provide redundancy,

proporcionen redundància,

but quadrocopters are much more popular

però els quadrocòpters són molt més populars

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

perquè tenen el nombre mínim de

propulsors fixes: quatre.

Or do they?

O, és realment el mínim?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Si analitzem el model matemàtic d'aquesta màquina,

with only two working propellers,

però només amb dos propulsors en funcionament,

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

descobrim que encara existeix una manera poc convencional, però funcional, de fer-la volar.

We relinquish control of yaw,

Prescindim de controlar el gir sobre l'eix central,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

però controlem encara les inclinacions frontal i lateral, i l'acceleració,

with algorithms that exploit this new configuration.

amb algorismes que aprofiten el coneixement d'aquesta nova configuració.

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

Els models matemàtics ens revelen exactament quan,

i perquè això és possible.

In this instance, this knowledge allows us to design

En aquest cas, aquest coneixement ens permet dissenyar

novel machine architectures

arquitectures de màquines originals,

o dissenyar algorismes intel·ligents que responen a les averies de forma eficient i elegant,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

tal i com els atletes humans fan,

instead of building machines with redundancy.

en lloc de necessitar redundància.

We can't help but hold our breath

No podem evitar la sorpresa quan veiem

when we watch a diver somersaulting into the water,

un saltador olímpic fent un mortal per entrar a l'aigua,

or when a vaulter is twisting in the air,

o el moment en què un gimnasta olímpic gira en l'aire,

amb el terra apropant-se a alta velocitat.

the ground fast approaching.

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

Aconseguirà entrar netament i apropiada a la piscina?

Will the vaulter stick the landing?

Aconseguirà el gimnasta prendre terra en la posició adequada?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Suposeu que volem que aquest quad

faci tres voltes consecutives en l'aire i finalitzi

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

al mateix precís lloc on ha començat.

This maneuver is going to happen so quickly

Aquesta maniobra ha de passar tant ràpid

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

que no ens donarà temps de fer servir la informació de la posició per corregir el moviment mentre passa.

There simply isn't enough time.

Simplement, no hi ha prou temps.

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

En lloc d'això, el que el quad pot fer is fer la maniobra primer a cegues,

observe how it finishes the maneuver,

registrar on acaba,

and then use that information to modify its behavior

i després fer servir la informació obtinguda per modificar el seu comportament

so that the next flip is better.

per tal de millorar el següent intent.

Similar to the diver and the vaulter,

Anàlogament al saltador o el gimnasta,

it is only through repeated practice

és només a través de la pràctica i la repetició

that the maneuver can be learned and executed

que la maniobra pot ser apresa i portada a terme

to the highest standard.

amb la millor qualitat.

(Laughter)

(Applause)

(Aplaudiments)

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

Colpejar una pilota en moviment és una habilitat necessària en molts esports.

Com fem que una màquina faci

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

el que un atleta fa aparentment sense cap tipus d'esforç?

(Laughter)

(Aplaudiment)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Aquest quad té una raqueta enganxada a la part superior

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

amb una zona útil més o menys de la mida d'una poma, no gaire gran.

Els càlculs següents es fan cada 20 milisegons,

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

cinquanta cops per segon.

We first figure out where the ball is going.

Primer, descobrim on està anant la pilota.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Després calculem com l'hauria de colpejar el quad

per tal de que torni al punt des del qual ha sortit.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

En tercer lloc, es planeja la trajectòria que porta al quad

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

des de la seva posició actual fins el punt d'impacte amb la pilota.

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

Després, s'executen 20 milisegons de l'estratègia planificada.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

20 milisegons després, el procés complert es repeteix

until the quad strikes the ball.

fins que el quad entra en contacte amb la pilota.

(Applause)

(Aplaudiment)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Les màquines no només poden portar a terme maniobres per si soles,

they can do it collectively.

sinó que ho poden fer de forma cooperativa.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Aquests tres quads transporten cooperativament una xarxa.

(Applause)

(Aplaudiment)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Porten a terme una maniobra extremadament

dinàmica i col·lectiva,

to launch the ball back to me.

per tal de tornar-me altre cop la pilota.

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

Tingueu en compte que, en el moment d'extensió màxima de la xarxa, els quads estan en posició vertical.

(Applause)

(Aplaudiment)

In fact, when fully extended,

De fet, quan la xarxa està completament estesa,

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

la força que experimenten els quads és 5 cops més gran que la que sent un practicant de puenting

at the end of their launch.

al final de la seva caiguda.

The algorithms to do this are very similar

Els algorismes que es fan servir per fer això són molt similars

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

als que un sol quad fa per tornar-me la pilota.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Els models matemàtics es fan servir per renovar l'estratègia,

a cooperative strategy 50 times per second.

continuada i cooperativa, 50 vegades cada segon.

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

Tot el que hem vist fins ara ha sigut

sobre les màquines i les seves capacitats.

What happens when we couple this machine athleticism

Què passa quan combinem l'atletisme d'aquesta màquina

with that of a human being?

amb el d'un ésser humà?

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

El que tinc davant meu és un sensor comercial que detecta la meva gestualitat

mainly used in gaming.

i que es fa servir actualment per a jocs.

It can recognize what my various body parts

Pot reconèixer diferents parts del meu cos,

are doing in real time.

i saber el què fan en temps real.

Similar to the pointer that I used earlier,

Igual que el punter que abans feia servir,

we can use this as inputs to the system.

podem fer servir els meus gests com a entrades del sistema.

We now have a natural way of interacting

Ara, per tant, disposem d'una manera natural d'interactuar

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

amb l'atletisme d'aquests quads, tant sols amb els meus gests.

(Applause)

(Aplaudiments)

La interacció no té perquè ser virtual, pot ser física.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Per exemple, mireu aquest quad.

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

s'intenta quedar quiet en un punt fix en l'espai.

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

Si provo de moure'l del seu lloc, em contradiu,

and moves back to where it wants to be.

i es mou altre cop on vol ser.

We can change this behavior, however.

Podem canviar aquest comportament, però.

We can use mathematical models

Podem fer servir els models matemàtics

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

per estimar la força que aplico sobre aquest quad.

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

Un cop sabem aquesta força, podem canviar les lleis de la física,

as far as the quad is concerned, of course.

com a mínim pel que fa al quad.

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

Aquí tenim el quad comportant-se com si fos

dins d'un líquid viscós.

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

Ara, doncs, tenim una manera propera i natural

d'interactuar amb la màquina.

I will use this new capability to position

Utilitzaré aquesta nova capacitat per posicionar

this camera-carrying quad to the appropriate location

aquest quad i la seva càmera a la posició adequada

for filming the remainder of this demonstration.

per filmar el que queda d'aquesta demostració.

So we can physically interact with these quads

Bé, podem, per tant, interactuar amb aquest quads,

and we can change the laws of physics.

i podem canviar les lleis de la física, pel que a ells respecta.

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

Anem a passar-nos-ho bé una estona, doncs.

For what you will see next,

Per la següent demostració, aquest quads

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

es comportaran inicialment com si fossin a Plutó.

As time goes on, gravity will be increased

A mesura que passa el temps, la gravetat s'incrementarà

until we're all back on planet Earth,

fins que siguem de nou al planeta Terra,

but I assure you we won't get there.

però us asseguro que no arribaré fins aquí.

Okay, here goes.

Va, som-hi.

(Laughter)

(Riures)

(Laughter)

(Riures)

(Applause)

(Aplaudiments)

Whew!

Uff!

Probablement esteu pensant,

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

aquests s'ho passen massa bé,

and you're probably also asking yourself,

i us esteu preguntant

why exactly are they building machine athletes?

perquè necessitem construir aquests atletes màquina.

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Alguns diuen que el paper dels jocs en el regne animal

és practicar i desenvolupar noves habilitats.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Altres pensen té un ús més social,

that it's used to bind the group.

que crea un sentiment de grup.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

Nosaltres fem servir l'analogia dels esports i l'atletisme

to create new algorithms for machines

per crear algorismes nous per màquines

to push them to their limits.

que les explotin fins als seus límits.

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

Quin impacte tindrà la velocitat de l'evolució de les màquines en la nostra forma de viure?

Like all our past creations and innovations,

Com totes les nostres creacions i innovacions pasades

they may be used to improve the human condition

aquests algorismes es poden utilitzar per millorar la condició humana

or they may be misused and abused.

o bé poden ser viciats i abusats per empitjorar-la.

This is not a technical choice we are faced with;

No és l'aspecte tècnic el que es discuteix,

it's a social one.

és el social.

Let's make the right choice,

Si fem les decisions correctes,

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

les decisions que treuen el millor del futur de les màquines,

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

tal i com l'atletisme en fa dels esports,

aquestes ens portaran cap al millor en nosaltres mateixos.

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

Deixeu-me que us presenti els mestres bruixots que s'amaguen darrere aquestes proeses.

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

Són els membres actuals del grup de recerca "Flying Machine Arena".

(Applause)

(Aplaudiments)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

en Federico Augugliaro, en Dario Brescianini , en Markus Hehn,

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

en Sergei Lupashin, en Mark Muller i en Robin Ritz.

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

Mireu-los bé. Estan destinats a grans projectes.

Moltes gràcies.

Thank you.

(Applause)

(Aplaudiments)