The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Raffaello D'Andrea: Raffaello D'Andrea: La asombrosa potencia atlética de los cuadricópteros.

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Traductor: Máximo Hdez Revisor: teddy fres

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

Así que ¿qué significa para una máquina ser atlética?

Demostraremos el concepto de atletismo de la máquina

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

y la investigación para lograrlo

with the help of these flying machines called quadrocopters,

con la ayuda de estas máquinas voladoras llamadas quadricópteros,

or quads, for short.

o quads, para abreviar.

Quads have been around for a long time.

Los quads han existido durante mucho tiempo.

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

La razón de que sean tan populares en estos días

es porque son mecánicamente simples.

By controlling the speeds of these four propellers,

Mediante el control de las velocidades de estas cuatro hélices,

these machines can roll, pitch, yaw,

Estas máquinas pueden virar, balancearse, cabecear

and accelerate along their common orientation.

y acelerar junto a su orientación común.

On board are also a battery, a computer,

A bordo también hay una batería, una computadora,

various sensors and wireless radios.

varios sensores y radios inalámbricos.

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

Los quads son muy ágiles, pero esta agilidad tiene un precio.

They are inherently unstable,

Son inherentemente inestables, y necesitan alguna forma

and they need some form of automatic feedback control

de control automático de retroalimentación para poder volar.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Entonces, ¿cómo hizo eso?

Cameras on the ceiling and a laptop

Cámaras en el techo y una computadora portátil

serve as an indoor global positioning system.

sirven como un sistema de posicionamiento global interior,

que se utiliza para localizar objetos en el espacio

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

que tienen estos marcadores reflejantes.

This data is then sent to another laptop

Estos datos se envían a otra computadora

that is running estimation and control algorithms,

que está ejecutando algoritmos de estimación y control,

which in turn sends commands to the quad,

la cual a su vez envía comandos al quad,

which is also running estimation and control algorithms.

que también ejecuta algoritmos de estimación y control.

The bulk of our research is algorithms.

La mayor parte de nuestra investigación son algoritmos.

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

Es la magia que da vida a estas máquinas.

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

Entonces, ¿cómo diseña uno los algoritmos

para crear una máquina atleta?

We use something broadly called model-based design.

Utilizamos algo llamado en términos generales diseño basado en el modelo.

We first capture the physics

Primero describimos la física con un modelo matemático

with a mathematical model of how the machines behave.

de cómo se comportan las máquinas.

We then use a branch of mathematics called control theory

Entonces utilizamos una rama de las matemáticas

llamada teoría de control para analizar estos modelos

to analyze these models

y también para sintetizar algoritmos para controlarlos.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Por ejemplo, así es como podemos hacer flotar el quad.

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

Primero capturamos la dinámica

con un conjunto de ecuaciones diferenciales.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Entonces manipulamos estas ecuaciones con la ayuda

de la teoría de control para crear algoritmos que estabilicen al quad.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Permítanme demostrarles la fuerza de este enfoque.

Suppose that we want this quad to not only hover

Supongamos que queremos este quad no solo flote

but to also balance this pole.

sino que también equilibre esta barra.

With a little bit of practice,

Con un poco de práctica,

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

es bastante sencillo para un ser humano hacer esto,

Aunque tenemos la ventaja de tener

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

dos pies en el suelo

y usar nuestras manos que son muy versátiles.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Se hace un poco más difícil

when I only have one foot on the ground

cuando solo tengo un pie en el suelo

and when I don't use my hands.

y cuando no utilizo mis manos.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

noten que la barra tiene un marcador reflejante en la parte superior,

which means that it can be located in the space.

lo que significa que puede ubicarse en el espacio.

(Audience) Oh!

(Aplausos)

(Applause)

(Applause ends)

Noten que el quad está haciendo ajustes finos

You can notice that this quad is making fine adjustments

para mantener la barra equilibrada.

to keep the pole balanced.

¿Cómo diseñamos los algoritmos para hacer esto?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Añadimos el modelo matemático de la barra

to that of the quad.

al del quad.

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

Una vez que tenemos un modelo del sistema del quad y la barra juntos,

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

podemos utilizar la teoría de control para crear algoritmos para controlarlo.

Here, you see that it's stable,

Aquí, pueden apreciar que es estable,

and even if I give it little nudges,

e incluso si le doy unos empujoncitos,

it goes back --

vuelve a una posición correcta y equilibrada.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

También podemos aumentar el modelo incluyendo

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

dónde queremos que se ubique el quad en el espacio.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Con este indicador con marcadores reflejantes,

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

puedo apuntar a dónde quiero que el quad se ubique en el espacio

a fixed distance away from me.

una distancia fija lejos de mí.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

La clave para estas maniobras acrobáticas son algoritmos,

designed with the help of mathematical models

diseñados con la ayuda de modelos matemáticos

and control theory.

y la teoría de control.

Let's tell the quad to come back here

Vamos a decirle al quad que regrese aquí

and let the pole drop,

y que deje caer la barra,

and I will next demonstrate the importance

y a continuación demostraré la importancia

de entender los modelos físicos

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

y el funcionamiento del mundo físico.

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

Observen cómo el quad pierde altitud

cuando pongo esta copa con agua sobre él.

Unlike the balancing pole,

A diferencia de la barra, no incluí

I did not include the mathematical model of the glass

el modelo matemático de la copa en el sistema.

in the system.

De hecho, el sistema no sabe que la copa de agua está ahí.

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

Como antes, podría utilizar el puntero para ordenar al quad

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

where I want it to be in space.

donde quiero que esté en el espacio.

(Aplausos)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Bien, deben estarse preguntando,

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

¿por qué no se cae el agua de la copa?

Two facts.

Dos razones: la primera es que la gravedad actúa

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

en todos los objetos de la misma manera.

The second is that the propellers

La segunda es que todas las hélices apuntan

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

en la misma dirección que la copa, apuntando hacia arriba.

You put these two things together,

Juntando estas dos razones, el resultado neto

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

es que todas las fuerzas laterales sobre el vaso son pequeñas

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

y están dominadas principalmente por efectos aerodinámicos,

which at these speeds are negligible.

los cuales a estas velocidades son insignificantes.

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

Y por eso no se necesita modelar la copa.

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

Naturalmente no se derrama, sin importar lo que haga el quad.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Aplausos)

(Applause ends)

The lesson here

La lección aquí es que algunas tareas de alto rendimiento

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

son más fáciles que otras,

and that understanding the physics of the problem

y el entender la física del problema

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

te dice cuáles son fáciles y cuáles son difíciles.

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

En este caso, llevar una copa de agua es fácil.

Balancing a pole is hard.

Equilibrar una barra es difícil.

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

Todos hemos escuchado historias de atletas

que realizan hazañas mientras están lesionados físicamente.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

¿Puede también una máquina operar

con daño físico extremo?

Conventional wisdom says

La sabiduría popular dice que se necesitan

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

al menos cuatro pares de motores de hélices fijos para poder volar,

because there are four degrees of freedom to control:

porque hay cuatro grados de libertad para controlar:

roll, pitch, yaw and acceleration.

Viraje, cabeceo, balanceo y aceleración.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Los hexacopteros y los octocopteros, con seis y ocho hélices,

can provide redundancy,

puede proporcionar redundancia,

but quadrocopters are much more popular

pero los cuadricópteros son mucho más populares

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

porque tienen el número mínimo

de pares de hélice de motor fijo: cuatro.

Or do they?

O ¿no?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Si analizamos el modelo matemático de esta máquina

with only two working propellers,

con solo dos hélices funcionales,

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

descubrimos que hay una forma poco convencional para volarlo.

We relinquish control of yaw,

Renunciamos a controlar el balanceo,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

pero el viraje, el cabeceo y la aceleración todavía pueden ser controladas

with algorithms that exploit this new configuration.

con algoritmos que aprovechan esta configuración nueva.

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

Los modelos matemáticos nos dicen exactamente cuándo

y por qué esto es posible.

In this instance, this knowledge allows us to design

En este caso, este conocimiento nos permite diseñar

novel machine architectures

arquitecturas de máquinas novedosas

o diseñar algoritmos inteligentes que manejen con gracia el daño,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

al igual que hacen los atletas humanos,

instead of building machines with redundancy.

en el lugar de construir máquinas con redundancia.

We can't help but hold our breath

No podemos evitar contener la respiración cuando observamos a

when we watch a diver somersaulting into the water,

un clavadista lanzarse al agua,

or when a vaulter is twisting in the air,

o cuando un saltador está girando en el aire,

el suelo se acercaba rápidamente.

the ground fast approaching.

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

¿Será capaz el clavadista de realizar una entrada limpia?

Will the vaulter stick the landing?

¿El saltador podrá controlar su aterrizaje?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Supongamos que queremos que este quad

realice una vuelta triple y acabe

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

en el mismo punto en el que empezó.

This maneuver is going to happen so quickly

Esta maniobra va a pasar tan rápido

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

que no alcanzamos a retroalimentar la posición para corregir el movimiento en la ejecución.

There simply isn't enough time.

Simplemente no hay suficiente tiempo.

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

En vez de ello, lo que el quad puede hacer es realizar la maniobra a ciegas,

observe how it finishes the maneuver,

observar cómo termina la maniobra,

and then use that information to modify its behavior

y luego usar esa información para modificar su comportamiento

so that the next flip is better.

para que la siguiente vez sea mejor.

Similar to the diver and the vaulter,

Al igual que el clavadista y el saltador,

it is only through repeated practice

es solo a través de la práctica repetida

that the maneuver can be learned and executed

que la maniobra puede ser aprendida y ejecutada

to the highest standard.

al más alto nivel.

(Laughter)

(Applause)

(Aplausos)

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

Golpear una bola en movimiento es una habilidad necesaria en muchos deportes.

¿Cómo podemos hacer que una máquina haga

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

lo que un atleta hace aparentemente sin esfuerzo?

(Laughter)

(Aplausos)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Este quad tiene una raqueta sujeta en la parte superior

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

con un tamaño ideal como de una manzana, no es demasiado grande.

Los siguientes cálculos se realizan cada 20 milisegundos,

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

o 50 veces por segundo.

We first figure out where the ball is going.

Primero suponemos a donde va la bola.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Luego calculamos cómo el quad debe golpear la bola

para que la regrese de donde fue arrojada.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

En tercer lugar, está prevista una trayectoria que lleva el quad

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

desde su estado actual al punto de impacto con la bola.

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

En cuarto lugar, sólo ejecutamos 20 milisegundos de esta estrategia.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

20 milisegundos después, se repite todo el proceso

until the quad strikes the ball.

hasta que el quad golpea la bola.

(Applause)

(Aplausos)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Las máquinas no sólo pueden realizar maniobras dinámicas por cuenta propia,

they can do it collectively.

pueden hacerlo colectivamente.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Estos tres quads llevan cooperativamente una red

(Applause)

(Aplausos)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Realizan una maniobra extremadamente

dinámica y colectiva

to launch the ball back to me.

para lanzar la pelota de vuelta a mí.

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

Observen que, en extensión completa, estos quads están verticales.

(Applause)

(Aplausos)

In fact, when fully extended,

De hecho, cuando está completamente extendida,

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

es aproximadamente cinco veces mayor a lo que se siente al saltar del bungee

at the end of their launch.

al final del lanzamiento.

The algorithms to do this are very similar

Los algoritmos para hacer esto son muy similares

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

al de usar un solo quad para que golpee la bola hacia mí.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Los modelos matemáticos se utilizan continuamente para replanificar

a cooperative strategy 50 times per second.

una estrategia cooperativa 50 veces por segundo.

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

Todo lo que hemos visto hasta ahora ha sido

acerca de las máquinas y sus capacidades.

What happens when we couple this machine athleticism

¿Qué sucede cuando juntamos este atletismo de la máquina

with that of a human being?

con la de un ser humano?

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

Lo que tengo delante de mí es un sensor de gestos comercial

mainly used in gaming.

utilizado principalmente para jugar.

It can recognize what my various body parts

Puede reconocer lo que hacen las distintas partes del cuerpo

are doing in real time.

en tiempo real.

Similar to the pointer that I used earlier,

Similarmente al puntero que utilicé antes,

we can use this as inputs to the system.

podemos utilizar esto como entrada al sistema.

We now have a natural way of interacting

Ahora tenemos una forma natural de interactuar

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

con el atletismo en bruto de estos quads con mis gestos.

(Applause)

(Aplausos)

La interacción no tiene que ser virtual, puede ser física.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Tomemos como ejemplo este quad.

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

Trata de permanecer en un punto fijo en el espacio.

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

Si trato de moverlo, lucha

and moves back to where it wants to be.

y se regresa a donde quiere estar.

We can change this behavior, however.

Sin embargo, podemos cambiar este comportamiento.

We can use mathematical models

Podemos utilizar modelos matemáticos

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

para estimar la fuerza que estoy aplicando al quad.

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

Una vez que sabemos esta fuerza, también podemos cambiar las leyes de la física,

as far as the quad is concerned, of course.

en cuanto al quad, por supuesto.

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

Aquí el quad se comporta como si estuviera

en un fluido viscoso.

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

Ahora tenemos una manera íntima

de interactuar con una máquina.

I will use this new capability to position

Voy a utilizar esta nueva funcionalidad para ubicar

this camera-carrying quad to the appropriate location

Este quad con cámara a la posición apropiada

for filming the remainder of this demonstration.

para filmar el resto de esta demostración.

So we can physically interact with these quads

Así podemos interactuar físicamente con estos quads

and we can change the laws of physics.

y podemos cambiar las leyes de la física.

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

Vamos a divertirnos un poco con esto.

For what you will see next,

Para lo que veremos a continuación, estos quads

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

inicialmente se comportarán como si estuvieran en Plutón.

As time goes on, gravity will be increased

Conforme pase el tiempo, se incrementará la gravedad

until we're all back on planet Earth,

hasta que estemos de vuelta en el planeta Tierra,

but I assure you we won't get there.

pero les aseguro que no iremos allá.

Okay, here goes.

Bueno, aquí va.

(Laughter)

(Risas)

(Laughter)

(Risas)

(Applause)

(Aplausos)

Whew!

¡Fiu!

Todos están pensando ahora,

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

estos chicos se divierten demasiado,

and you're probably also asking yourself,

y probablemente también se estén preguntando,

why exactly are they building machine athletes?

¿por qué exactamente están construyendo máquinas atletas?

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Algunos conjeturaran que el rol del juego en el reino animal

es desarrollar habilidades y capacidades.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Otros piensan que tiene más que ver con una función social,

that it's used to bind the group.

que se utiliza para unir el grupo.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

De la misma manera, utilizamos la analogía del deporte y el atletismo

to create new algorithms for machines

para crear nuevos algoritmos para las máquinas

to push them to their limits.

para llevarlas a sus límites.

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

¿Qué impacto tendrá la velocidad de las máquinas en nuestra forma de vida?

Like all our past creations and innovations,

Como todas nuestras creaciones e innovaciones pasadas,

they may be used to improve the human condition

se pueden utilizar para mejorar la condición humana

or they may be misused and abused.

o pueden ser mal usadas y abusadas.

This is not a technical choice we are faced with;

Esta no es una opción técnica a la que nos enfrentamos;

it's a social one.

es social.

Let's make the right choice,

Tomemos la decisión correcta,

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

la decisión que saca lo mejor en el futuro de las máquinas,

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

al igual que el atletismo en los deportes

puede sacar lo mejor de nosotros.

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

Permítanme presentarles a los magos detrás de la cortina verde.

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

Son los miembros actuales del equipo de investigación de Flying Machine Arena.

(Applause)

(Aplausos)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller y Robin Ritz.

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

No les pierdan la pista, están destinados para grandes cosas.

Gracias.

Thank you.

(Applause)

(Aplausos)