Robots that fly ... and cooperate | Vijay Kumar

Translator: Mélanie Chambaretaud Reviewer: Iwona Chałuś (Chalus)

Good morning.

Bonjour.

I'm here today to talk about autonomous flying beach balls.

Je suis ici ce matin pour parler

de ballons de plages autonomes et volants.

(Laughter)

Non, d'habiles robots aériens tels que celui-ci.

No, agile aerial robots like this one.

I'd like to tell you a little bit about the challenges in building these,

J'aimerais vous parler un peu des défis dans leur construction

et de certaines des incroyables options

and some of the terrific opportunities for applying this technology.

d'application de cette technologie.

So these robots are related to unmanned aerial vehicles.

Donc ces robots

sont proches de véhicules aériens inhabités.

Cependant, les véhicules que vous voyez ici sont grands.

However, the vehicles you see here are big.

Ils pèsent des milliers de livres,

They weigh thousands of pounds, are not by any means agile.

et ne sont en aucune manière agiles.

They're not even autonomous.

Ils ne sont même pas autonomes.

In fact, many of these vehicles are operated by flight crews

En fait, nombre de ces véhicules

sont dirigés par des équipages de vol

qui peuvent compter plusieurs pilotes,

that can include multiple pilots,

operators of sensors,

responsables de capteurs

and mission coordinators.

et chefs de mission.

What we're interested in is developing robots like this --

Nous nous intéressons à développer des robots comme ceux-là --

et voici deux autres photos

and here are two other pictures --

de robots que vous pouvez acheter directement sur l'étagère.

of robots that you can buy off the shelf.

Donc ce sont des hélicoptères avec quatre rotors,

So these are helicopters with four rotors,

ils font environ un mètre de large

and they're roughly a meter or so in scale,

et pèsent plusieurs livres.

and weigh several pounds.

donc nous les réduisons avec des capteurs et des processeurs

And so we retrofit these with sensors and processors,

et ces robots peuvent volet en intérieur.

and these robots can fly indoors.

sans GPS.

Without GPS.

Le robot que je tiens dans ma main

The robot I'm holding in my hand

est un de ceux-là

is this one,

et il a été créé par deux étudiants,

and it's been created by two students,

Alex et Daniel.

Alex and Daniel.

Il pèse un peu plus

So this weighs a little more than a tenth of a pound.

de 45 grammes.

It consumes about 15 watts of power.

Il consomme environ 15 watts d'électricité.

Et ainsi que vous pouvez le voir,

And as you can see, it's about eight inches in diameter.

il fait à peu près 20 cm de diamètre.

Laissez-moi vous donner un cours rapide

So let me give you just a very quick tutorial

on how these robots work.

sur comment ces robots fonctionnent.

Il a quatre rotors.

So it has four rotors.

If you spin these rotors at the same speed,

Si vous faites tourner ces rotors à la même vitesse,

the robot hovers.

le robot lévite.

If you increase the speed of each of these rotors,

Si vous augmentez la vitesse de chacun des rotors,

le robot s'élève, il accélère vers le haut.

then the robot flies up, it accelerates up.

Of course, if the robot were tilted,

Bien sûr, si le robot était penché,

incliné à l'horizontale,

inclined to the horizontal,

then it would accelerate in this direction.

alors il accélèrerait dans cette direction.

So to get it to tilt,

Donc pour l'incliner, il y a deux façons de faire.

there's one of two ways of doing it.

Sur cette image

So in this picture, you see that rotor four is spinning faster

vous voyez que le rotor n°4 tourne plus vite

and rotor two is spinning slower.

et que le rotor n°2 tourne moins vite.

And when that happens,

Quand cela arrive,

there's a moment that causes this robot to roll.

vient le moment où le robot roule sur lui-même.

Et dans l'autre sens,

And the other way around,

if you increase the speed of rotor three and decrease the speed of rotor one,

si vous accélérez le rotor n°3

et décélérez le rotor n°1,

le robot pique vers l'avant.

then the robot pitches forward.

And then finally,

Enfin,

if you spin opposite pairs of rotors

si vous faites tourner une paire de rotors opposés

faster than the other pair,

plus vite que l'autre paire,

then the robot yaws about the vertical axis.

alors le robot fait une embardée verticale.

Le processeur embarqué

So an on-board processor

essentially looks at what motions need to be executed

s'intéresse donc principalement à quels mouvements doivent être exécutés,

combine ces mouvements

and combines these motions,

et détermine quels ordres envoyer aux moteurs

and figures out what commands to send to the motors --

600 fois par seconde.

600 times a second.

That's basically how this thing operates.

Voilà comment ceci fonctionne, en gros.

L'un des avantages de ce design

So one of the advantages of this design

c'est que, lorsqu'on réduit les choses,

is when you scale things down,

le robot devient naturellement plus agile.

the robot naturally becomes agile.

Ici, R

So here, R is the characteristic length of the robot.

est la longueur du robot

C'est en fait la moitié du diamètre.

It's actually half the diameter.

And there are lots of physical parameters that change as you reduce R.

Et de nombreux paramètres physiques changent

au fur et à mesure que l'on réduit R.

The one that's most important is the inertia,

Le plus important

est l'inertie ou la résistance au mouvement.

or the resistance to motion.

Il apparaît

So it turns out the inertia, which governs angular motion,

que l'inertie, qui gouverne le déplacement angulaire

est égale à R puissance 5.

scales as a fifth power of R.

Donc plus vous réduisez R,

So the smaller you make R,

the more dramatically the inertia reduces.

plus l'inertie diminue vite.

So as a result, the angular acceleration,

En résultat, l'accélération angulaire,

denoted by the Greek letter alpha here,

représentée ici par la lettre grecque alpha,

goes as 1 over R.

est 1 sur R.

It's inversely proportional to R.

C'est inversement proportionnel à R.

The smaller you make it, the more quickly you can turn.

Plus R est petit, plus vite vous pouvez tourner.

Ceci devrait être clair dans ces vidéos.

So this should be clear in these videos.

En bas à droite, vous voyez un robot

On the bottom right, you see a robot performing a 360-degree flip

en train de faire un salto à 360°

in less than half a second.

en moins d'une demi-seconde.

Multiple flips, a little more time.

Plusieurs saltos, un peu plus de temps.

Les processeurs embarqués

So here the processes on board

récupèrent des informations des accéléromètres

are getting feedback from accelerometers and gyros on board,

et des gyroscopes embarqués

and calculating, like I said before,

et calculent, comme je le disais tout à l'heure,

commands at 600 times a second,

des ordres 600 fois par seconde

to stabilize this robot.

pour stabiliser ce robot.

So on the left, you see Daniel throwing this robot up into the air,

Donc à gauche, vous voyez Daniel en train de lancer ce robot en l'air.

and it shows you how robust the control is.

Et il vous montre combien ce contrôle est fiable.

Peu importe comment vous le lancez,

No matter how you throw it,

the robot recovers and comes back to him.

le robot se rétablit et revient vers lui.

So why build robots like this?

Alors pourquoi construire de tels robots ?

Eh bien, des robots comme ceux-ci ont de nombreuses applications.

Well, robots like this have many applications.

Vous pouvez les envoyer dans des bâtiments comme celui-ci

You can send them inside buildings like this,

as first responders to look for intruders,

comme premiers intervenants pour chercher des intrus,

peut-être chercher des fuites biochimiques

maybe look for biochemical leaks,

ou gazeuses.

gaseous leaks.

Vous pouvez aussi les utiliser

You can also use them for applications like construction.

pour des applications comme la construction.

So here are robots carrying beams, columns

Voici des robots portant des poutres, des colonnes

et assemblant des structures cubiques.

and assembling cube-like structures.

I'll tell you a little bit more about this.

Je vais vous en dire un peu plus là-dessus.

The robots can be used for transporting cargo.

Ces robots peuvent être utilisés pour du transport cargo.

So one of the problems with these small robots

Un des problèmes de ces petits robots

is their payload-carrying capacity.

est leur faible capacité de transport.

So you might want to have multiple robots carry payloads.

Donc on pourrait vouloir plusieurs robots

portant des charges.

This is a picture of a recent experiment we did --

Voici la photo d'une expérience qu'on a faite récemment --

plus si récemment que ça, en fait --

actually not so recent anymore --

in Sendai, shortly after the earthquake.

à Sendai, juste après le tremblement de terre.

So robots like this could be sent into collapsed buildings,

De tels robots pouvaient être envoyés dans des bâtiments effondrés

pour estimer les dégâts après des catastrophes naturelles,

to assess the damage after natural disasters,

ou envoyés dans des bâtiments irradiés

or sent into reactor buildings,

to map radiation levels.

pour cartographier les niveaux de radiation.

So one fundamental problem that the robots have to solve

Un problème fondamental

que les robots doivent résoudre s'ils doivent être autonomes

if they are to be autonomous,

is essentially figuring out how to get from point A to point B.

est principalement trouver

comment se rendre d'un point A à un point B.

So this gets a little challenging,

Ceci devient un peu délicat

because the dynamics of this robot are quite complicated.

car la dynamique de ce robot est assez compliquée.

In fact, they live in a 12-dimensional space.

En fait, ils vivent dans un espace en 12 dimensions.

Donc nous utilisons une petite astuce.

So we use a little trick.

We take this curved 12-dimensional space,

Nous prenons cet espace courbe en 12 dimensions

et le transformons

and transform it into a flat, four-dimensional space.

en un espace plat en 4 dimensions.

Cet espace quadri-dimensionnel

And that four-dimensional space consists of X, Y, Z,

se compose de X, Y, Z et de cet angle de lacet.

and then the yaw angle.

And so what the robot does,

Et ce que fait le robot

is it plans what we call a minimum-snap trajectory.

est qu'il planifie ce que l'on appelle ...

Pour vous rafraîchir en physique,

So to remind you of physics:

You have position, derivative, velocity;

vous avez la position, la dérivée, la vitesse,

then acceleration;

ensuite l'accélération,

and then comes jerk,

puis les saccades

and then comes snap.

et enfin "snap".

So this robot minimizes snap.

Ce robot minimise donc le "snap".

So what that effectively does,

Ce que cela fait concrètement

is produce a smooth and graceful motion.

est que ça produit un déplacement harmonieux et gracieux.

And it does that avoiding obstacles.

Et ça le fait en évitant des obstacles.

Ces trajectoires ... dans cet espace plat

So these minimum-snap trajectories in this flat space are then transformed

sont alors retranscrites

back into this complicated 12-dimensional space,

dans ce complexe espace dodéca-dimensionnel

ce que le robot doit faire

which the robot must do for control and then execution.

pour le contrôle et aussi l'exécution.

So let me show you some examples

Laissez moi vous montrer quelques exemples

of what these minimum-snap trajectories look like.

de ce à quoi ces trajectoires ... ressemblent.

Dans la première vidéo,

And in the first video,

you'll see the robot going from point A to point B,

vous allez voir le robot aller d'un point A à un point B

en passant par un point intermédiaire.

through an intermediate point.

(Whirring noise)

Le robot est manifestement capable

So the robot is obviously capable of executing any curve trajectory.

d'exécuter n'importer quelle trajectoire en courbe.

Ceci sont des trajectoires circulaires

So these are circular trajectories,

where the robot pulls about two G's.

dans lesquelles le robot soutient environ deux G.

Here you have overhead motion capture cameras on the top

Ici, il y a des caméras de capture de mouvement sur le dessus du robot

that tell the robot where it is 100 times a second.

qui lui dit où il se trouve 100 fois par seconde.

It also tells the robot where these obstacles are.

Elles lui signalent également où se trouvent les obstacles.

Et les obstacles peuvent être mobiles.

And the obstacles can be moving.

And here, you'll see Daniel throw this hoop into the air,

Ici, vous voyez Daniel lancer ce cerceau en l'air,

while the robot is calculating the position of the hoop,

alors que le robot recalcule la position du cerceau

et décide comment au mieux passer dans le cerceau.

and trying to figure out how to best go through the hoop.

En tant qu'universitaire,

So as an academic,

we're always trained to be able to jump through hoops

nous sommes formés à sauter à travers des cerceaux pour lever des fonds pour nos laboratoires

to raise funding for our labs,

et nous faisons faire la même chose à nos robots.

and we get our robots to do that.

(Applause)

(Applaudissements)

Une autre chose que le robot peut faire

So another thing the robot can do

est de se souvenir de sections de trajectoires

is it remembers pieces of trajectory

that it learns or is pre-programmed.

qu'il apprend ou qui sont pré-programmées.

Ici vous voyez le robot

So here, you see the robot combining a motion that builds up momentum,

combiner un mouvement

qui génère un élan

and then changes its orientation and then recovers.

et change son orientation et ensuite récupérer.

Il doit faire cela car le trou dans la fenêtre

So it has to do this because this gap in the window

is only slightly larger than the width of the robot.

n'est que légèrement plus grand que la largeur du robot.

Donc en fait, le plongeur saute d'un plongeoir

So just like a diver stands on a springboard

and then jumps off it to gain momentum,

afin de gagner de l'élan

avant de faire sa pirouette, ce double saut périlleux,

and then does this pirouette, this two and a half somersault through

et ensuite se rétablit gracieusement,

and then gracefully recovers,

this robot is basically doing that.

et le robot fait la même chose.

So it knows how to combine little bits and pieces of trajectories

Donc il sait comment réunir de petits bouts de trajectoires

to do these fairly difficult tasks.

pour faire ces tâches assez difficiles.

Donc il faut changer de vitesse.

So I want change gears.

So one of the disadvantages of these small robots is its size.

L'un des inconvénients de ces petits robots est leur taille.

Comme je vous le disais plus tôt,

And I told you earlier

that we may want to employ lots and lots of robots

on pourrait envisager d'utiliser beaucoup de robots

pour compenser les limitations de leur taille.

to overcome the limitations of size.

Donc une difficulté

So one difficulty is:

How do you coordinate lots of these robots?

est dans comment coordonner ces nombreux robots ?

And so here, we looked to nature.

Nous nous sommes tournés vers la nature.

So I want to show you a clip of Aphaenogaster desert ants,

Je voudrais vous montrer une vidéo

des fourmis du désert Aphaenogaster

portant un objet au laboratoire du Docteur Stephen Pratt.

in Professor Stephen Pratt's lab, carrying an object.

Il s'agit en fait d'un morceau de figue.

So this is actually a piece of fig.

Si vous prenez n'importe quel objet et que vous le couvrez de jus de figue,

Actually you take any object coated with fig juice,

les fourmis vont l'emporter au nid.

and the ants will carry it back to the nest.

So these ants don't have any central coordinator.

Ces fourmis n'ont pas de coordination centrale.

Elles perçoivent leurs voisines.

They sense their neighbors.

Il n'y a pas de communication explicite.

There's no explicit communication.

Mais comme elles perçoivent leurs voisines

But because they sense the neighbors

ainsi que l'objet

and because they sense the object,

they have implicit coordination across the group.

elles ont une coordination implicite parmi le groupe.

C'est le type de coordination

So this is the kind of coordination we want our robots to have.

que nous souhaitons que nos robots aient.

So when we have a robot which is surrounded by neighbors --

Donc notre robot

est entouré de ses voisins --

regardons les robots I et J --

and let's look at robot I and robot J --

ce que nous voulons des robots

what we want the robots to do,

c'est qu'ils gèrent l'espace entre eux

is to monitor the separation between them,

as they fly in formation.

alors qu'ils volent en formation.

And then you want to make sure

Ensuite, il faut s'assurer

that this separation is within acceptable levels.

que la taille de cet écart est acceptable.

Le robot suit cet écart

So again, the robots monitor this error

and calculate the control commands 100 times a second,

et calcule les commandes

100 fois par seconde,

which then translates into motor commands,

ce qui se transforme en ordres aux rotors 600 fois par seconde.

600 times a second.

Cela aussi doit être fait

So this also has to be done in a decentralized way.

de façon décentralisée.

Again, if you have lots and lots of robots,

Encore une fois, si vous avez de très nombreux robots,

il est impossible de coordonner cette information centralement

it's impossible to coordinate all this information centrally

fast enough in order for the robots to accomplish the task.

assez vite pour que les robots accomplissent leurs tâches.

Plus, the robots have to base their actions only on local information --

De plus, les robots doivent baser leurs actions

uniquement sur des informations locales,

ce qu'ils perçoivent de leurs voisins.

what they sense from their neighbors.

Enfin,

And then finally,

we insist that the robots be agnostic to who their neighbors are.

nous pensons qu'il est nécessaire que les robots ignorent

qui leurs voisins sont.

So this is what we call anonymity.

On appelle cela anonymat.

Je voudrais maintenant vous montrer

So what I want to show you next is a video of 20 of these little robots,

une vidéo

de 20 de ces petits robots

flying in formation.

volant en formation.

Ils suivent la position de leurs voisins.

They're monitoring their neighbors' positions.

Ils maintiennent la formation.

They're maintaining formation.

The formations can change.

Les formations peuvent changer.

They can be planar formations,

Cela peut être des formations planes

they can be three-dimensional formations.

ou en 3D.

Comme vous le voyez ici,

As you can see here,

they collapse from a three-dimensional formation into planar formation.

ils passent d'une formation en 3D à une formation en 2D.

Et pour voler au travers d'obstacles,

And to fly through obstacles,

they can adapt the formations on the fly.

ils peuvent adapter la formation au cours du vol.

Une fois de plus, ces robots peuvent vraiment se rapprocher les uns des autres.

So again, these robots come really close together.

As you can see in this figure-eight flight,

Comme vous le voyez avec ce huit de chiffre,

they come within inches of each other.

il s'approchent à quelques centimètres les uns des autres.

Malgré les interactions aérodynamiques

And despite the aerodynamic interactions with these propeller blades,

de ces pales

they're able to maintain stable flight.

ils arrivent à maintenir un vol stable.

(Applause)

(Applaudissements)

Une fois que vous savez comment voler en formation,

So once you know how to fly in formation,

vous pouvez en fait soulever des objets en commun.

you can actually pick up objects cooperatively.

Cela montre simplement

So this just shows that we can double, triple, quadruple

que vous pouvez doubler, tripler, quadrupler

la force du robot

the robots' strength,

by just getting them to team with neighbors, as you can see here.

simplement en les regroupant en équipes, comme ici.

Un des avantages de cela

One of the disadvantages of doing that is, as you scale things up --

est que, à mesure que vous augmentez les proportions --

so if you have lots of robots carrying the same thing,

si vous avez plus de robots portant la même chose,

vous augmentez surtout l'inertie

you're essentially increasing the inertia,

and therefore you pay a price; they're not as agile.

et pour cela vous payez le prix : ils ne sont plus aussi agiles.

But you do gain in terms of payload-carrying capacity.

Mais vous y gagnez en termes de capacité de chargement.

Une autre application que je veux vous montrer --

Another application I want to show you -- again, this is in our lab.

à nouveau, c'est dans notre labo.

This is work done by Quentin Lindsey, who's a graduate student.

Ce travail est fait par Quentin Lindsey qui est un doctorant.

En gros, son algorythme dit aux robots

So his algorithm essentially tells these robots

comment construire en autonomie

how to autonomously build cubic structures

des structures cubiques

avec des éléments en forme de bottes.

from truss-like elements.

L'algorythme dit au robot

So his algorithm tells the robot what part to pick up,

quel élément prendre,

quand et où le placer.

when, and where to place it.

Sur cette vidéo, vous voyez --

So in this video you see --

and it's sped up 10, 14 times --

et c'est accéléré 10, 14 fois --

vous voyez différentes structures construites par ces robots.

you see three different structures being built by these robots.

Encore une fois, tout est autonome,

And again, everything is autonomous,

et tout ce que Quentin a à faire

and all Quentin has to do

is to give them a blueprint of the design that he wants to build.

est de leur donner un plan

de l'architecture qu'il souhaite construire.

So all these experiments you've seen thus far,

Toutes les expériences que vous avez vues jusqu'à présent,

all these demonstrations,

toutes les démonstrations,

have been done with the help of motion-capture systems.

ont été faites avec l'aide de systèmes de capture de mouvement.

Que se passe-t'il quand vous quittez votre labo

So what happens when you leave your lab,

et allez dans le monde extérieur ?

and you go outside into the real world?

And what if there's no GPS?

Et que se passe-t'il s'il n'y a pas de GPS ?

So this robot is actually equipped with a camera,

Ce robot

est en fait équipé d'une caméra,

d'un laser télémétrique et d'un scanner laser.

and a laser rangefinder, laser scanner.

Et il utilise ces capteurs

And it uses these sensors to build a map of the environment.

pour dessiner une carte de son environnement.

Cette carte consiste en des élements --

What that map consists of are features --

comme des portes, des fenêtres,

like doorways, windows, people, furniture --

des gens, des meubles --

et ensuite, le robot détermine où il se trouve

and it then figures out where its position is,

par rapport à ces éléments.

with respect to the features.

So there is no global coordinate system.

Donc il n'y a pas de système central de coordination.

Le système de coordination est défini en fonction du robot,

The coordinate system is defined based on the robot,

where it is and what it's looking at.

où il se trouve et ce à quoi il s'intéresse.

And it navigates with respect to those features.

Et il s'oriente en fonction de ces éléments.

Je voudrais vous montrer une vidéo

So I want to show you a clip

of algorithms developed by Frank Shen and Professor Nathan Michael,

d'algorithmes développés par Frank Shen

et le Docteur Nathan Michael

that shows this robot entering a building for the very first time,

qui montre ce robot entrant dans un bâtiment pour la toute première fois

and creating this map on the fly.

et créant la carte au fil de son vol.

So the robot then figures out what the features are,

Le robot détermine ce que sont les éléments.

it builds the map,

Il dessine la carte.

it figures out where it is with respect to the features,

Il détermine où il se trouve par rapport aux éléments

and then estimates its position 100 times a second,

et ensuite calcule sa position

100 fois par seconde

allowing us to use the control algorithms that I described to you earlier.

nous permettant d'utiliser les algorithmes de contrôle

que je vous ai décrit plus tôt.

So this robot is actually being commanded remotely by Frank,

Ce robot est en fait commandé

à distance par Frank.

Mais le robot peut aussi décider

but the robot can also figure out where to go on its own.

par lui même où aller.

Imaginons que j'envoie ceci dans ce bâtiment

So suppose I were to send this into a building,

et que je n'aie aucune idée de ce à quoi peut ressembler le bâtiment,

and I had no idea what this building looked like.

je peux demander au robot d'entrer,

I can ask this robot to go in,

de dessiner une carte

create a map,

et ensuite de revenir me dire à quoi ressemble le bâtiment.

and then come back and tell me what the building looks like.

So here, the robot is not only solving the problem

Ici, le robot ne résoud pas seulement le problème

de comment aller d'un point A à un point B dans cette carte,

of how to go from point A to point B in this map,

but it's figuring out what the best point B is at every time.

mais il détermine aussi

à chaque instant quel est le meilleur point B.

En bref, il sait où aller

So essentially it knows where to go

to look for places that have the least information,

pour trouver les endroits sur lesquels il a le moins d'information.

Et c'est ainsi qu'il remplit sa carte.

and that's how it populates this map.

So I want to leave you with one last application.

Je voudrais vous laisser

avec une dernière application.

And there are many applications of this technology.

Il y a de nombreuses applications pour cette technologie.

I'm a professor, and we're passionate about education.

Je suis un universitaire, et nous sommes véhéments en ce qui concerne l'éducation.

De tels robots peuvent vraiment changer

Robots like this can really change the way we do K-12 education.

la façon dont nous faisons "K par 12" dans l'éducation.

Mais nous sommes en Californie du Sud,

But we're in Southern California,

près de Los Angeles,

close to Los Angeles,

donc il me faut conclure

so I have to conclude with something focused on entertainment.

sur quelque chose de lié à l'amusement.

Je souhaite donc finir avec une vidéo de musique.

I want to conclude with a music video.

Je voudrais vous présenter les créateurs, Alex et Daniel,

I want to introduce the creators, Alex and Daniel, who created this video.

qui ont fait cette vidéo.

(Applaudissements)

(Applause)

So before I play this video,

Avant de lancer cette vidéo,

I want to tell you that they created it in the last three days,

je voudrais vous dire qu'ils l'ont montée ces 3 derniers jours

after getting a call from Chris.

après qu'ils aient eu Chris au téléphone.

And the robots that play in the video are completely autonomous.

Et les robots que vous verrez

sont totalement autonomes.

You will see nine robots play six different instruments.

Vous verrez 9 robots jouer de 6 instruments différents.

Et bien sûr, c'est fait exclusivement pour TED 2012.

And of course, it's made exclusively for TED 2012.

Regardons.

Let's watch.

(Sound of air escaping from valve)

(Music)

(Whirring sound)

(Music)

(Musique)

(Applaudissements)

(Applause) (Cheers)