The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Raffaello D'Andrea: Die verblüffenden athletischen Leistungen von Quadrocoptern

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Übersetzung: Norbert Langkau Lektorat: Daniel Hoffmann

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

Wann ist eine Maschine athletisch?

Wir werden das Konzept von Maschinenathletik

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

und die benötigte Forschung

with the help of these flying machines called quadrocopters,

mit Hilfe dieser Fluggeräte, den Quadrocoptern

or quads, for short.

oder kurz ›Quads‹, demonstrieren.

Quads have been around for a long time.

Quads gibt es schon eine ganze Zeit.

Sie sind heute so populär,

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

weil sie mechanisch einfach sind.

By controlling the speeds of these four propellers,

Durch die Steuerung der vier Propeller

these machines can roll, pitch, yaw,

können diese Maschinen rollen, kippen, gieren

and accelerate along their common orientation.

und in alle gängigen Richtungen beschleunigen.

On board are also a battery, a computer,

Mit an Bord sind eine Batterie, ein Computer,

various sensors and wireless radios.

verschiedene Sensoren und Funkgeräte.

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

Quads sind extrem wendig, aber diese Wendigkeit hat ihren Preis.

They are inherently unstable,

Sie sind von Natur aus instabil, und brauchen

and they need some form of automatic feedback control

zum Fliegen eine Art automatische Rückkopplungsregelung.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Wie hat er das gerade gemacht?

Cameras on the ceiling and a laptop

Kameras an der Decke und ein Laptop

serve as an indoor global positioning system.

dienen als ein Innenraum-GPS.

Damit lassen sich Objekte im Raum,

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

die solche Reflektoren besitzen, lokalisieren.

This data is then sent to another laptop

Die Daten werden an einen weiteren Laptop

that is running estimation and control algorithms,

mit Schätz- und Regelalgorithmen geschickt

which in turn sends commands to the quad,

und von dort an den Quad, der ebenfalls solche Algorithmen ausführt.

which is also running estimation and control algorithms.

The bulk of our research is algorithms.

Wir forschen hauptsächlich an Algorithmen.

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

Sie sind der Zauber, der diese Maschinen zum Leben erweckt.

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

Wie entwirft man also Algorithmen,

die eine Maschine so sportlich machen?

We use something broadly called model-based design.

Wir verwenden den sog. modellbasierten Ansatz.

We first capture the physics

Zuerst bilden wir das physikalische Verhalten der Maschinen

with a mathematical model of how the machines behave.

in einem mathematischen Modell ab.

We then use a branch of mathematics called control theory

Dann analysieren wir diese Modelle mithilfe eines Teilgebiets der Mathematik,

der Regelungstheorie,

to analyze these models

die dann automatisch die Algorithmen für deren Steuerung liefert.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Ein Beispiel ist dieser schwebende Quad:

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

Zuerst haben wir die Dynamik

in mehreren Differentialgleichungen abgebildet,

We then manipulate these equations with the help of control theory

die wir dann mit Hilfe der Regelungstheorie verändern

und so Algorithmen zur Stabilisierung des Quads bekommen.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Ich will Ihnen die Stärken dieses Ansatzes zeigen.

Suppose that we want this quad to not only hover

Nehmen wir an, der Quad soll zusätzlich zum Schweben

but to also balance this pole.

noch diesen Stab balancieren.

With a little bit of practice,

Mit etwas Übung ist das

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

für Menschen eine machbare Aufgabe,

wobei wir zu unserem Vorteil

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

zwei Füße auf dem Boden

und unsere sehr geschickten Hände haben.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Ein bisschen schwieriger wird das

when I only have one foot on the ground

mit nur einem Fuß auf dem Boden

and when I don't use my hands.

und ohne Hände.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Der Stab hat an der Spitze einen Reflektor,

which means that it can be located in the space.

so dass er im Raum lokalisiert werden kann.

(Audience) Oh!

(Beifall)

(Applause)

(Applause ends)

Man sieht, wie der Quad durch kleine Anpassungen

You can notice that this quad is making fine adjustments

den Stab im Gleichgewicht hält.

to keep the pole balanced.

Wie haben wir den Algorithmus dafür entworfen?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Wir haben das mathematische Modell des Stabes

to that of the quad.

dem des Quads hinzugefügt.

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

Auf das verbundene Quad-Stab-System kann man wieder die Regeltheorie anwenden,

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

um so Algorithmen für die Steuerung zu bekommen.

Here, you see that it's stable,

Sie sehen, das System ist stabil,

and even if I give it little nudges,

und selbst wenn ich ihm kleine Stupser gebe,

it goes back --

geht es in eine schön ausbalancierte Position zurück.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Wir können das Modell auch

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

um eine gewünschte Position erweitern.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Mit diesem Zeiger aus Reflektoren kann ich

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

dahin zeigen, wo ich den Quad im Raum

a fixed distance away from me.

in einer festen Entfernung von mir haben will.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Der Schlüssel zu dieser Akrobatik sind Algorithmen,

designed with the help of mathematical models

die mit Hilfe mathematischer Modelle

and control theory.

und der Regelungstheorie entwickelt wurden.

Let's tell the quad to come back here

Jetzt soll der Quad hierher zurückkommen

and let the pole drop,

und den Stab fallen lassen.

and I will next demonstrate the importance

Als Nächstes will ich zeigen, wie wichtig

das Verständnis physikalischer Modelle

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

und deren Zusammenhänge in der physischen Welt ist.

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

Man sieht, dass er an Höhe verliert,

wenn ich dieses Glas Wasser draufstelle.

Unlike the balancing pole,

Anders als bei dem Balancestab habe ich

I did not include the mathematical model of the glass

hier das Modell des Glases nicht in das System eingefügt.

in the system.

Eigentlich weiß das System gar nicht, dass das Wasserglas da ist.

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

Wie zuvor kann ich den Quad mit dem Zeiger anweisen,

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

where I want it to be in space.

wo im Raum ich ihn haben will.

(Beifall)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

An der Stelle fragt man sich:

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

»Wieso fließt das Wasser nicht aus dem Glas?«

Two facts.

Aus zwei Gründen: Zum einen wirkt die Schwerkraft

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

auf alle Objekte gleich;

The second is that the propellers

zum anderen weisen alle Propeller in

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

die gleiche Richtung wie das Glas, nach oben.

You put these two things together,

Beides zusammen bewirkt,

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

dass die Seitenkräfte auf das Glas klein

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

und überwiegend aerodynamische Effekte sind,

which at these speeds are negligible.

die man bei diesen Geschwindigkeiten vernachlässigen kann.

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

Deshalb braucht man das Modell des Glases nicht einzufügen.

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

Es wird nichts verschüttet, ganz gleich, was der Quad macht.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Beifall)

(Applause ends)

The lesson here

Die Lehre, die wir daraus ziehen, ist, dass einige Hochleistungen

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

einfacher sind als andere,

and that understanding the physics of the problem

und dass die Physik bei dem Problem

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

einem sagt, was einfach und was schwierig ist.

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

Hier zum Beispiel ist es leicht, ein Wasserglas zu befördern,

Balancing a pole is hard.

aber schwierig, den Stab zu balancieren.

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

Wir alle haben von Athleten gehört,

die auch verletzt Meisterleistungen abliefern.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Kann eine Maschine so etwas auch,

selbst wenn sie schwer beschädigt ist?

Conventional wisdom says

Herkömmlicherweise braucht man

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

mindestens vier fest angebrachte, angetriebene Propellerpaare, um zu fliegen,

because there are four degrees of freedom to control:

weil es vier Freiheitsgrade gibt:

roll, pitch, yaw and acceleration.

Rollen, Kippen, Gieren und Beschleunigung.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Hexacopter und Octocopter, mit sechs und acht Propellern,

can provide redundancy,

sind redundant,

but quadrocopters are much more popular

aber Quadrocopter sind viel beliebter,

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

weil sie die kleinste Anzahl

fest angebrachter, angetriebener Propellerpaare haben: vier.

Or do they?

Oder doch nicht?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Das mathematische Modell dieser Maschine

with only two working propellers,

mit nur zwei intakten Propellern zeigt,

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

dass es eine unkonventionelle Art gibt, sie zu fliegen.

We relinquish control of yaw,

Wir verzichten auf das Gieren,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

steuern aber Rollen, Kippen und Beschleunigung

with algorithms that exploit this new configuration.

durch Algorithmen, die wir aus der Auswertung dieser neuen Anordnung erhalten.

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

Mathematische Modelle sagen uns genau,

wann und wieso das möglich ist.

In this instance, this knowledge allows us to design

Hier erlaubt uns dieses Wissen,

novel machine architectures

neuartige Maschinenarchitekturen

oder schlaue Algorithmen zu entwerfen, die mit Zerstörung genauso gut

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

umgehen wie Athleten,

instead of building machines with redundancy.

statt Maschinen mit Redundanz bauen zu müssen.

We can't help but hold our breath

Uns stockt der Atem, wenn wir sehen,

when we watch a diver somersaulting into the water,

wie ein Turmspringer einen Salto ins Wasser macht,

or when a vaulter is twisting in the air,

oder ein Stabhochspringer sich in der Luft verbiegt,

und schnell dem Boden nahe kommt.

the ground fast approaching.

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

Wird der Turmspringer glatt eintauchen?

Will the vaulter stick the landing?

Wird der Stabhochspringer die Landung stehen?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Dieser Quad hier soll einen

dreifachen Salto machen und wieder

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

da ankommen, wo er gestartet ist.

This maneuver is going to happen so quickly

Dieses Manöver passiert so schnell,

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

dass wir während der Bewegung nicht rückkoppeln können –

There simply isn't enough time.

dazu ist einfach nicht genug Zeit.

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

Stattdessen kann der Quad das Manöver blind fliegen,

observe how it finishes the maneuver,

sich das Ergebnis anschauen

and then use that information to modify its behavior

und dann aus dieser Information lernen,

so that the next flip is better.

so dass die nächste Rolle besser wird.

Similar to the diver and the vaulter,

Wie für die Springer gilt,

it is only through repeated practice

dass das Manöver nur

that the maneuver can be learned and executed

durch wiederholtes Üben gelernt

to the highest standard.

und optimal ausgeführt werden kann.

(Laughter)

(Applause)

(Beifall)

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

Bei vielen Sportarten muss man einen sich bewegenden Ball treffen können.

Wie lässt man eine Maschine

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

etwas tun, was für einen Athleten mühelos erscheint?

(Laughter)

(Beifall)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Dieser Quad hat einen Schläger auf dem Kopf montiert,

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

dessen Schlagfläche nicht sehr groß ist, etwa apfelgroß.

Alle 20 Millisekunden, also 50 mal pro Sekunde,

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

berechnen wir Folgendes:

We first figure out where the ball is going.

Zuerst rechnen wir aus, wohin der Ball fliegt.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Dann, wie der Quad den Ball schlagen soll,

so dass er zum Werfer zurückfliegt.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Drittens wird eine Flugbahn geplant, die den Quad von seiner Position

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

zu seinem Aufschlagpunkt für den Ball bringt.

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

Viertens: Wir befolgen diese Strategie nur 20 Millisekunden lang.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Danach wird der Prozess so lange wiederholt,

until the quad strikes the ball.

bis der Quad den Ball trifft.

(Applause)

(Beifall)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Maschinen können solche Manöver nicht nur alleine ausführen,

they can do it collectively.

sondern auch im Verbund.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Diese drei Quads halten zusammen ein Netz in der Luft.

(Applause)

(Beifall)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Sie vollführen ein extrem dynamisches

und aufeinander abgestimmtes Manöver,

to launch the ball back to me.

um mir den Ball zurückzuschießen.

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

Sehen Sie – bei voller Ausdehnung stehen die Quads vertikal.

(Applause)

(Beifall)

In fact, when fully extended,

Tatsächlich sind die Kräfte bei

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

voller Ausdehnung etwa fünf mal so groß wie die, die ein Bungeespringer

at the end of their launch.

am Ende des Sprungs verspürt.

The algorithms to do this are very similar

Die nötigen Algorithmen sind denen

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

für den einzelnen Quad, um den Ball zurückzuwerfen, sehr ähnlich.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Man benutzt also mathematische Modelle,

a cooperative strategy 50 times per second.

um die abgestimmte Strategie 50 mal pro Sekunde neu zu berechnen.

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

Bis jetzt ging es uns

um Maschinen und ihre Fähigkeiten.

What happens when we couple this machine athleticism

Was passiert, wenn wir diese Maschinenathletik mit

with that of a human being?

der eines Menschen koppeln?

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

Das hier ist ein normaler Gestenerkennungssensor,

mainly used in gaming.

wie er bei Videospielen benutzt wird.

It can recognize what my various body parts

Er erkennt in Echtzeit,

are doing in real time.

was meine Körperteile gerade tun.

Similar to the pointer that I used earlier,

Ähnlich wie den Zeiger vorhin

we can use this as inputs to the system.

können wir ihn als Eingabemedium benutzen.

We now have a natural way of interacting

Jetzt haben wir eine natürliche Methode,

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

die ungezähmte Athletik dieser Quads mit meinen Gesten zu steuern.

(Applause)

(Beifall)

Die Interaktion muss nicht virtuell bleiben, sie kann physisch werden.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Nehmen wir diesen Quad hier.

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

Er versucht, seine Position beizubehalten.

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

Wenn ich versuche, ihn weg zu bewegen, setzt er sich zur Wehr

and moves back to where it wants to be.

und bewegt sich zu der Position zurück, die er beibehalten will.

We can change this behavior, however.

Aber wir können dieses Verhalten ändern.

We can use mathematical models

Mit mathematischen Modellen

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

kann man die Kraft abschätzen, die auf den Quad wirkt.

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

Damit können wir die Gesetze der Physik ändern –

as far as the quad is concerned, of course.

natürlich nur, insoweit sie den Quad betreffen.

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

Hier verhält sich der Quad,

als wäre er in einer zähen Flüssigkeit.

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

Jetzt haben wir eine Methode,

eng mit der Maschine zu interagieren.

I will use this new capability to position

Damit kann ich diesen Quad so positionieren,

this camera-carrying quad to the appropriate location

dass er den Rest der Demonstration

for filming the remainder of this demonstration.

mit der montierten Kamera von oben filmen kann.

So we can physically interact with these quads

Wir können also mit diesen Quads interagieren

and we can change the laws of physics.

und die Gesetze der Physik ändern.

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

Damit machen wir uns jetzt einen Spaß.

For what you will see next,

Als Nächstes verhalten sich

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

die Quads anfänglich, als wären sie auf dem Pluto.

As time goes on, gravity will be increased

Mit der Zeit wird die Schwerkraft erhöht,

until we're all back on planet Earth,

bis wir wieder zurück auf der Erde sind,

but I assure you we won't get there.

aber da kommen wir nie an.

Okay, here goes.

O. k., auf geht's.

(Laughter)

(Lachen)

(Laughter)

(Lachen)

(Applause)

(Beifall)

Whew!

Uff!

Sie denken jetzt sicher:

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

»Die Typen haben zu viel Spaß«,

and you're probably also asking yourself,

und wahrscheinlich fragen Sie sich:

why exactly are they building machine athletes?

»Warum bauen sie eigentlich Maschinenathleten?«

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Man vermutet, dass Tiere spielen,

um Geschicklichkeit und Fertigkeiten zu entwickeln.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Andere denken, es wirkt sozial

that it's used to bind the group.

und sorgt für den Gruppenzusammenhalt.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

Wir benutzen die Analogie zwischen Sport und Athletik,

to create new algorithms for machines

um neue Algorithmen zu entwickeln,

to push them to their limits.

die die Maschinen ausreizen können.

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

Wie beeinflusst die Geschwindigkeit der Maschinen unser Leben?

Like all our past creations and innovations,

Wie alle menschlichen Erfindungen und Innovationen

they may be used to improve the human condition

können sie das menschliche Leben verbessern –

or they may be misused and abused.

aber sie können auch missbraucht werden.

This is not a technical choice we are faced with;

Das ist keine technische Entscheidung –

it's a social one.

sondern eine soziale.

Let's make the right choice,

Mit der richtigen Wahl

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

schaffen wir für die Zukunft der Maschinen

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

wie durch die Athletik im Sport bei uns

die besten Ergebnisse.

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

Jetzt zu den Zauberern hinter dem grünen Vorhang.

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

Sie bilden das Flying-Machine-Arena-Forschungsteam.

(Applause)

(Beifall)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller und Robin Ritz.

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

Aus denen wird noch mal etwas!

Vielen Dank.

Thank you.

(Applause)

(Beifall)