The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Translator: David J. Kreps Finnemann Reviewer: Anders Finn Jørgensen

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

Hvad betyder det for en maskine at være atletisk?

Vi vil demonstrere konceptet om maskinadræthed

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

og forskningen til at opnå det

with the help of these flying machines called quadrocopters,

ved hjælp af disse flyvende maskiner der hedder 'quadrocopters',

or quads, for short.

eller 'quads', som afkortning.

Quads have been around for a long time.

Quads har været her i lang tid.

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

Grunden til de er så populære nu til dags

er at de mekanisk set er simple.

By controlling the speeds of these four propellers,

Ved at kontrollere hastigheden af de fire propeller,

these machines can roll, pitch, yaw,

disse maskiner kan rulle, pitch, yaw,

and accelerate along their common orientation.

og accelerere i den retning de flyver.

On board are also a battery, a computer,

Der er også et batteri om bord, en computer,

various sensors and wireless radios.

forskellige sensorer og trådløse radioer.

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

Quads er utrolig adrætte, men denne adræthed har sin pris.

They are inherently unstable,

De er generelt ustabile, og de har brug for en form for

and they need some form of automatic feedback control

automatisk feedback-styring for at være i stand til at flyve.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Så, hvordan gjorde den lige det?

Cameras on the ceiling and a laptop

Kameraer i loftet og en bærbar computer

serve as an indoor global positioning system.

fungerer som et indendørs globalt positionssystem.

Det bruges til at lokalisere objekter i rummet

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

der har disse reflekterende afmærkninger på sig.

This data is then sent to another laptop

Denne data bliver sendt til en anden bærbar computer

that is running estimation and control algorithms,

der kører estimerings og kontrolalgoritmer,

which in turn sends commands to the quad,

som til gengæld sender kommandoer til quaden,

which is also running estimation and control algorithms.

som også kører estimerings- og kontrolalgoritmer.

The bulk of our research is algorithms.

Størstedelen af vores forskning er algoritmer.

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

Det er den magi der giver liv til disse maskiner.

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

Så hvordan designer man algoritmerne

der skaber en maskinatlet?

We use something broadly called model-based design.

Vi bruger noget der bredt kaldes for modelbaseret design.

We first capture the physics

Vi fanger først det fysiske med en matematisk model

with a mathematical model of how the machines behave.

over hvordan maskinerne opfører sig.

We then use a branch of mathematics called control theory

Så bruger vi en gren af matematikken

der kaldes kontrolteori til at analysere disse modeller

to analyze these models

og også til at syntetisere algoritmerne til at kontrollere dem.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

For eksempel, er det sådan vi kan få quaden til at stå stille i luften.

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

Vi fanger først dynamikken

med et sæt differentialligninger.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Så manipulerer vi disse ligninger ved hjælp

af kontrolteori til at skabe algoritmer der stabiliserer quaden.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Lad mig demonstrere styrken ved denne fremgangsmåde.

Suppose that we want this quad to not only hover

Forestil jer at vi vil have denne quad til ikke kun at svæve i luften

but to also balance this pole.

men også at balancere denne pæl.

With a little bit of practice,

Men en lille smule øvelse,

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

er det temmelig ukompliceret for et menneske at gøre dette,

selvom vi har den fordel at vi har

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

to fødder på jorden

og brugen af vores meget alsidige hænder.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Det bliver lidt sværere

when I only have one foot on the ground

når jeg kun har en fod på jorden

and when I don't use my hands.

og når jeg ikke bruger mine hænder.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Læg mærke til hvordan denne pæl har et reflekterende mærke i toppen,

which means that it can be located in the space.

hvilket betyder at den kan lokaliseres i rummet.

(Audience) Oh!

(Bifald)

(Applause)

(Applause ends)

Man kan se at denne quad kommer med små justeringer

You can notice that this quad is making fine adjustments

for at balancere pælen.

to keep the pole balanced.

Hvordan designer vi algoritmerne til at gøre dette?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Vi tilføjede matematiske modeller af pælen

to that of the quad.

til quadens.

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

Når vi har en model af det kombinerede quad-pæl system,

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

vi kan bruge kontrolteori til at skabe algoritmer for at kontrollere den.

Here, you see that it's stable,

Her, ser man at den er stabil,

and even if I give it little nudges,

og selv hvis jeg giver den små skub,

it goes back --

smutter den tilbage til den fine, balancerede position.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Vi kan også supplere modellen så den inkluderer

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

hvor vi vil have quaden til at være i rummet.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Ved hjælp af denne pegepind, lavet af reflekterende markører,

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

kan jeg pege derhen hvor jeg vil have quaden til at være i rummet

a fixed distance away from me.

på et fast punkt fra mig.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Nøglen til disse akrobatiske manøvrer er algoritmer,

designed with the help of mathematical models

designet med hjælp af matematiske modeller

and control theory.

og kontrolteori.

Let's tell the quad to come back here

Lad os fortælle quaden at komme tilbage hertil

and let the pole drop,

og smide pælen,

and I will next demonstrate the importance

og jeg vil demonstrere vigtigheden

af at forstå fysiske modeller

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

og hvordan den fysiske verden fungerer.

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

Læg mærke til hvordan quaden tabte højde

da jeg satte dette glas vand på den.

Unlike the balancing pole,

Ulig at balancere pælen, inkluderede jeg ikke

I did not include the mathematical model of the glass

den matematiske model af glasset i systemet.

in the system.

Faktisk, ved systemet ikke engang at glasset med vand er der.

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

Ligesom før, kunne jeg bruge pegepinden til at fortælle quaden

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

where I want it to be in space.

hvor jeg vil have at den skal være i rummet.

(Bifald)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Okay, man burde spørge sig selv,

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

hvorfor falder vandet ikke ud af glasset?

Two facts.

To faktum: Den første er at tyngdekræften påvirker

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

alle objekter på samme måde.

The second is that the propellers

Den anden er at propellerne alle peger

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

i samme retning som glasset, peger opad.

You put these two things together,

Sætter man disse to ting sammen, er resultatet

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

at alle kræfter på siden af glasset er små

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

og bliver hovedsageligt styret af de aerodynamiske påvirkninger,

which at these speeds are negligible.

som er ubetydelige ved disse hastigheder.

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

Og det er grunden til at man ikke behøver at tage højde for glasset.

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

Det spilder naturligt ikke, uanset hvad quaden gør.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Bifald)

(Applause ends)

The lesson here

Lektionen her er at der er nogle højt belastende opgaver

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

er nemmere end andre,

and that understanding the physics of the problem

og at forstå fysikken bag problemet

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

fortæller en hvilke der er nemme og hvilke der er svære.

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

I dette tilfælde, at bære et glas vand er nemt.

Balancing a pole is hard.

At balancere en pæl en svært.

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

Vi har alle hørt historier om atleter

der udfører præstationer mens de har en fysisk skade.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Kan en maskine også præstere

med ekstrem fysisk skade?

Conventional wisdom says

Traditionel visdom siger at man har brug

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

for mindst fire faste motorpropeller par for at kunne flyve,

because there are four degrees of freedom to control:

fordi der er fire grader af frihed man skal kontrollere:

roll, pitch, yaw and acceleration.

rul, pitch, yaw og acceleration.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Hexakoptere og octokoptere, med seks og otte propeller,

can provide redundancy,

skaffer redundans,

but quadrocopters are much more popular

men quadrokoptere er meget mere populære

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

fordi de har minimumsantallet

af faste motor propelpar: fire.

Or do they?

Eller har de?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Hvis vi analyserer den matematiske model af denne maskine

with only two working propellers,

med kun to fungerende propeller,

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

opdager vi at der er en ukonventionel måde at flyve den på.

We relinquish control of yaw,

Vi slipper kontrollen over yaw,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

men rul, pitch og acceleration kan stadig kontrolleres

with algorithms that exploit this new configuration.

med algoritmer der udnytter denne nye konfiguration.

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

Matematiske modeller fortæller os præcis hvornår

og hvorfor dette er muligt.

In this instance, this knowledge allows us to design

I dette tilfælde, denne viden tillader os at designe

novel machine architectures

nye maskinarkitekturer

eller at designe snedige algoritmer der på en yndefuld måde håndterer skader,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

ligesom menneskelige atleter gør,

instead of building machines with redundancy.

i stedet for at bygge maskiner med redundanser.

We can't help but hold our breath

Vi kan ikke lade være med at holde vejret når vi ser

when we watch a diver somersaulting into the water,

en dykker der laver en saltomortale ud i vandet,

or when a vaulter is twisting in the air,

eller når en stangspringer vrider sig i luften,

og jorden nærmer sig hurtigt.

the ground fast approaching.

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

Vil dykkeren være i stand til at klare en flænsende landing?

Will the vaulter stick the landing?

Vil stangspringeren klare landingen?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Forestil jer at vi vil have denne quad

til at udføre en tredobbelt salto og slutte

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

på præcis det samme punkt som den startede.

This maneuver is going to happen so quickly

Denne manøvre vil ske så hurtigt

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

at vi ikke kan bruge feedback om positionen til at korrigere bevægelsen under udførelsen.

There simply isn't enough time.

Der er simpelthen ikke tid nok.

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

I stedet, kan quaden udføre manøvren i blinde,

observe how it finishes the maneuver,

observere hvordan den afslutter manøvren,

and then use that information to modify its behavior

og så bruge den information til at moderere dens adfærd

so that the next flip is better.

så den næste salto er bedre.

Similar to the diver and the vaulter,

Tilsvarende dykkerens og stangspringerens,

it is only through repeated practice

er det kun gennem gentaget øvelse

that the maneuver can be learned and executed

at den manøvre kan læres og udføres

to the highest standard.

til den højeste standard.

(Laughter)

(Applause)

(Bifald)

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

At ramme en bevægende kugle er en nødvendig færdighed i mange sportsgrene.

Hvordan får vi en maskine til at

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

gøre det en atlet tilsyneladende gør uden anstrengelse?

(Laughter)

(Bifald)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Denne quad har en ketcher bundet til sit hoved

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

med et sweet spot der groft set er på størrelse med et æble, så ikke for stort.

De følgende beregninger bliver udført hvert 20. millisekund,

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

eller 50 gange per sekund.

We first figure out where the ball is going.

Først regner vi ud hvor bolden er på vej hen.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Derefter regner vi ud hvordan quaden skal ramme bolden

så den flyver tilbage til der hvor den blev kastet fra.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

For det tredje, bliver der planlagt en bane der får quaden

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

fra den nuværende tilstand til sammenstødspunktet med bolden.

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

For det fjerde, udfører vi kun 20 millisekunder af den strategi.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Tyve millisekunder senere, bliver hele processen gentaget

until the quad strikes the ball.

indtil quaden rammer bolden.

(Applause)

(Bifald)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Maskiner kan ikke kun udføre dynamiske manøvrer på egen hånd,

they can do it collectively.

de kan gøre det kollektivt.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Disse quader bærer sammen et net.

(Applause)

(Bifald)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

De udfører en ekstrem dynamisk

og kollektiv manøvre

to launch the ball back to me.

til at skyde bolden tilbage til mig.

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

Læg mærke til, ved fuld forlængelse, er disse quads vertikale.

(Applause)

(Bifald)

In fact, when fully extended,

Faktisk, når de forlænger fuldt,

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

er dette groft set fem gange stærkere end det en bungeehopper føler

at the end of their launch.

ved slutningen af deres hop.

The algorithms to do this are very similar

Algoritmerne til at gøre dette er meget lig

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

det en enkelt quad bruger til at slå bolden tilbage til mig.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Matematisk modeller bruges konstant til at replanlægge

a cooperative strategy 50 times per second.

en samarbejdende strategi 50 gange i sekundet.

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

Alt vi har set indtil videre har handlet

om maskinerne og deres evner.

What happens when we couple this machine athleticism

Hvad sker der hvis vi kobler denne maskines adræthed

with that of a human being?

med et menneskes?

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

Det jeg har foran mig er en kommerciel bevægelsessensor

mainly used in gaming.

der hovedsagelig bliver brugt til gaming.

It can recognize what my various body parts

Den kan genkende det mine forskellige kropsdele

are doing in real time.

gør i realtid.

Similar to the pointer that I used earlier,

I stil med den pegepind jeg brugte tidligere,

we can use this as inputs to the system.

kan vi bruge dette som input i systemet.

We now have a natural way of interacting

Nu har vi en naturlig måde til at interagere

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

med den rå adræthed af disse quads med mine gestus.

(Applause)

(Bifald)

Interaktion behøver ikke at være virtuel. Det kan være fysisk.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Tag denne quad, for eksempel.

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

Den prøver at forblive på et fast punkt i rummet.

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

Hvis jeg prøver at flytte den væk, kæmper den imod mig,

and moves back to where it wants to be.

og flytter sig tilbage til hvor den vil være.

We can change this behavior, however.

Vi kan, dog, ændre denne adfærd.

We can use mathematical models

Vi kan bruge matematiske modeller

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

til at vurdere den kraft som jeg bruger imod quaden.

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

Når vi kender denne kraft, kan vi også ændre fysikkens love,

as far as the quad is concerned, of course.

når det handler om quaden, selvfølgelig.

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

Her opfører quaden sig som om den opholdte

sig i en tyktflydende væske.

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

Nu har vi en intim måde

til at interagere med maskinen på.

I will use this new capability to position

Jeg vil bruge denne nye evne til at positionere

this camera-carrying quad to the appropriate location

denne kamera bærende quad til den passende placering

for filming the remainder of this demonstration.

til at filme resten af denne demonstration.

So we can physically interact with these quads

Så vi kan fysisk interagere med disse quads

and we can change the laws of physics.

og vi kan ændre fysikkens love.

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

Lad os more os en smule med dette.

For what you will see next,

Det I vil se næst, vil disse quads

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

til at starte med at opføre sig som om de er på Pluto.

As time goes on, gravity will be increased

Som tiden går, vil tyngdekraften tiltage

until we're all back on planet Earth,

indtil vi er tilbage på planeten jorden,

but I assure you we won't get there.

men jeg forsikrer jer om at vi ikke kommer dertil.

Okay, here goes.

Okay, så starter vi.

(Laughter)

(Latter)

(Laughter)

(Latter)

(Applause)

(Bifald)

Whew!

Puha!

Nu tænker I allesammen,

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

at disse gutter fornøjer sig alt for meget,

and you're probably also asking yourself,

og I spørger sikkert også jer selv om,

why exactly are they building machine athletes?

hvorfor er det helt præcis at de bygger maskinatleter?

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

En formodning om rollen af leg i dyreriget

er at finpudse og udvikle evner.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Andre tænker at det er mere end social rolle,

that it's used to bind the group.

at det bliver brugt til at binde gruppen sammen.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

På samme måde bruger vi analogien om sport og adræthed

to create new algorithms for machines

til at skabe nye algoritmer til maskiner

to push them to their limits.

til at skubbe dem til deres grænse.

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

Hvilken betydning vil maskiners hastighed have på vores levevis?

Like all our past creations and innovations,

Ligesom alle vores tidligere opfindelser og innovationer,

they may be used to improve the human condition

kan de bruges til at forbedre de menneskelige forudsætninger

or they may be misused and abused.

eller de kan misbruges og mishandles.

This is not a technical choice we are faced with;

Dette er ikke et teknisk valg vi står overfor;

it's a social one.

det er et socialt valg.

Let's make the right choice,

Lad os tage det rigtige valg,

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

valget der frembringer det bedste i maskinernes fremtid,

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

ligesom adræthed i sport

kan frembringe det bedste i os.

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

Lad mig introducere jer for troldmændene bag det grønne gardin.

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

De er nuværende medlemmer af Flying machine Arena research team.

(Applause)

(Bifald)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini , Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller and Robin Ritz.

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

Hold øje med dem. De er bestemt til store ting.

Tak.

Thank you.

(Applause)

(Bifald)