The Future of Flying Robots | Vijay Kumar | TED Talks

Traducteur: Marie Viala Relecteur: Hadrien Meyer

In my lab, we build autonomous aerial robots

Dans mon labo, on construit des robots qui peuvent voler en autonomie,

like the one you see flying here.

comme celui que vous voyez ici.

Unlike the commercially available drones that you can buy today,

Contrairement aux drones que l'on peut acheter dans le commerce de nos jours,

this robot doesn't have any GPS on board.

celui-ci n'est pas équipé de GPS.

So without GPS,

Donc, sans GPS,

it's hard for robots like this to determine their position.

c'est difficile pour ce genre de robot de déterminer sa position.

This robot uses onboard sensors, cameras and laser scanners,

Il est donc équipé de capteurs, caméras et lasers,

utilisés pour scanner son environnement.

to scan the environment.

It detects features from the environment,

Le robot détecte ce qui se trouve autour de lui,

and it determines where it is relative to those features,

et utilise ces données pour déterminer sa position relative

using a method of triangulation.

simplement en triangulant.

And then it can assemble all these features into a map,

Il peut ensuite créer une carte à partir de ces données,

like you see behind me.

comme celle qui s'affiche derrière moi.

And this map then allows the robot to understand where the obstacles are

Cette carte permet ensuite au robot de savoir où se trouvent les obstacles

and navigate in a collision-free manner.

et donc de naviguer en évitant les collisions.

What I want to show you next

Maintenant, je voudrais vous montrer

is a set of experiments we did inside our laboratory,

une série d'expériences réalisées dans notre laboratoire,

where this robot was able to go for longer distances.

où ce robot a pu parcourir des distances plus grandes.

So here you'll see, on the top right, what the robot sees with the camera.

En haut à droite, vous pouvez voir ce que le robot voit à travers la caméra.

And on the main screen --

Et sur l'écran principal,

and of course this is sped up by a factor of four --

- la vitesse de la vidéo est multipliée par quatre -

on the main screen you'll see the map that it's building.

vous pouvez voir la carte que le robot dessine.

So this is a high-resolution map of the corridor around our laboratory.

On a donc une carte en haute résolution du couloir autour du labo.

And in a minute you'll see it enter our lab,

Et bientôt, vous allez le voir entrer dans le labo,

which is recognizable by the clutter that you see.

que l'on reconnaît facilement au désordre qui y règne.

(Laughter)

(Rires)

But the main point I want to convey to you

Ce que je voulais vous faire comprendre,

is that these robots are capable of building high-resolution maps

c'est que ces robots sont capables de dessiner des plans en haute résolution

at five centimeters resolution,

à 5 cm près,

allowing somebody who is outside the lab, or outside the building

ce qui permet à quelqu'un à l'extérieur du laboratoire ou même du bâtiment

to deploy these without actually going inside,

de les contrôler sans avoir besoin d'aller à l'intérieur,

and trying to infer what happens inside the building.

et d’interagir avec ce qui se passe dans le bâtiment.

Now there's one problem with robots like this.

Cela dit, ces robots posent un problème.

The first problem is it's pretty big.

D'abord, ils sont grands.

Because it's big, it's heavy.

Donc, ils sont lourds.

And these robots consume about 100 watts per pound.

Et ils consomment environ 100 watts par livre,

And this makes for a very short mission life.

donc les missions ne peuvent être que très courtes.

The second problem

Ensuite, les capteurs dont ils sont équipés

is that these robots have onboard sensors that end up being very expensive --

finissent par revenir très cher :

a laser scanner, a camera and the processors.

un scanneur laser, une caméra, plus les processeurs.

That drives up the cost of this robot.

Cela augmente encore le prix du robot.

So we asked ourselves a question:

Donc nous nous sommes posé la question :

what consumer product can you buy in an electronics store

quel bien de consommation peut-on acheter dans un magasin d'électronique,

that is inexpensive, that's lightweight, that has sensing onboard and computation?

qui soit bon marché, léger, programmable, et dispose de capteurs ?

And we invented the flying phone.

Et nous avons inventé le téléphone volant.

(Laughter)

(Rires)

So this robot uses a Samsung Galaxy smartphone that you can buy off the shelf,

Ce robot utilise donc un Samsung Galaxy, que vous pouvez acheter en magasin,

and all you need is an app that you can download from our app store.

et tout ce dont vous avez besoin est de télécharger notre application.

And you can see this robot reading the letters, "TED" in this case,

Vous pouvez voir ce robot lire les lettres « TED »,

looking at the corners of the "T" and the "E"

observer les coins du T et du E,

and then triangulating off of that, flying autonomously.

et voler en autonomie, en se repérant grâce à ça.

That joystick is just there to make sure if the robot goes crazy,

La manette est juste là au cas où : si le robot bascule du côté obscur,

Giuseppe can kill it.

Giuseppe pourra l'éliminer.

(Laughter)

(Rires)

In addition to building these small robots,

En plus de ces petits robots,

we also experiment with aggressive behaviors, like you see here.

nous travaillons sur des comportements plus agressifs, comme celui-ci.

So this robot is now traveling at two to three meters per second,

Ce robot se déplace à deux ou trois mètres par seconde,

pitching and rolling aggressively as it changes direction.

et il tangue et roule agressivement quand il change de direction.

The main point is we can have smaller robots that can go faster

L'essentiel, c'est que nous pouvons construire de robots plus petits,

qui se déplacent très vite dans des milieux sans structure.

and then travel in these very unstructured environments.

And in this next video,

Dans la vidéo suivante,

just like you see this bird, an eagle, gracefully coordinating its wings,

tout comme cet aigle coordonne avec grâce

its eyes and feet to grab prey out of the water,

ses ailes, ses yeux et ses serres pour sortir sa proie de l'eau,

our robot can go fishing, too.

vous pouvez voir notre robot partir à la pêche.

(Laughter)

(Rires)

In this case, this is a Philly cheesesteak hoagie that it's grabbing out of thin air.

Dans son cas, il attrape un sandwich au vol.

(Laughter)

(Rires)

So you can see this robot going at about three meters per second,

Ce robot vole donc à environ 3 m/s, c'est-à-dire plus vite que

which is faster than walking speed, coordinating its arms, its claws

quelqu'un qui marche, en coordonnant ses bras, ses pinces et son vol

and its flight with split-second timing to achieve this maneuver.

avec un timing à la seconde près qui lui permet d'effectuer cette manœuvre.

In another experiment,

Dans une autre expérience,

I want to show you how the robot adapts its flight

je veux vous montrer comme le robot adapte son plan de vol

to control its suspended payload,

pour contrôler son chargement en suspension,

whose length is actually larger than the width of the window.

qui est plus long que la hauteur de la structure dans laquelle il doit passer.

So in order to accomplish this,

Pour accomplir cet exploit,

it actually has to pitch and adjust the altitude

il doit tanguer, ajuster son altitude, et faire passer le chargement

and swing the payload through.

avec un effet de balancier.

But of course we want to make these even smaller,

Mais bien sûr, nous avons voulu faire encore plus petit,

and we're inspired in particular by honeybees.

en nous inspirant particulièrement des abeilles.

So if you look at honeybees, and this is a slowed down video,

Regardez les abeilles, dans cette vidéo ralentie.

they're so small, the inertia is so lightweight --

Elles sont si petites, et soumises à si peu d'inertie,

(Laughter)

(Rires)

that they don't care -- they bounce off my hand, for example.

qu'elles n'en ont rien à faire : elles rebondissent sur ma main.

This is a little robot that mimics the honeybee behavior.

Ce petit robot imite le comportement des abeilles.

And smaller is better,

Et plus il est petit, mieux c'est,

because along with the small size you get lower inertia.

car l'inertie diminue avec la taille.

Along with lower inertia --

Et plus l'inertie est faible...

(Robot buzzing, laughter)

(Le robot bourdonne - Rires)

along with lower inertia, you're resistant to collisions.

Plus l'inertie est faible, mieux vous résistez aux collisions.

And that makes you more robust.

Et cela vous rend plus solide.

So just like these honeybees, we build small robots.

Donc nous construisons des petits robots, comme des abeilles.

And this particular one is only 25 grams in weight.

Celui-ci, par exemple, ne pèse que 25 g,

It consumes only six watts of power.

ne consomme que 6 W,

And it can travel up to six meters per second.

et peut voler jusqu'à 6 m/s.

So if I normalize that to its size,

Donc, si on met ça à l'échelle,

it's like a Boeing 787 traveling ten times the speed of sound.

cela correspond à un Boeing 787 qui irait à 3 fois la vitesse du son.

(Laughter)

(Rires)

And I want to show you an example.

Je vais vous montrer un exemple.

This is probably the first planned mid-air collision, at one-twentieth normal speed.

Voici probablement la première collision en vol planifiée, ralentie 20 fois.

These are going at a relative speed of two meters per second,

La vitesse relative des robots est de 2 m/s,

and this illustrates the basic principle.

ce qui illustre ce principe de base.

The two-gram carbon fiber cage around it prevents the propellers from entangling,

La cage en fibre de carbone, qui pèse 2 g, évite aux hélices de s'emmêler,

but essentially the collision is absorbed and the robot responds to the collisions.

mais l'essentiel du choc est absorbé, et le robot réagit à la collision.

And so small also means safe.

Donc, plus petit veut aussi dire plus sûr.

In my lab, as we developed these robots,

Dans mon labo, pour développer ces robots,

we start off with these big robots

nous avons commencé avec des gros,

and then now we're down to these small robots.

et maintenant nous en faisons des tout petits.

And if you plot a histogram of the number of Band-Aids we've ordered

Et si vous faites un graphique de notre consommation de pansements,

in the past, that sort of tailed off now.

vous verrez qu'elle est quasiment nulle maintenant.

Because these robots are really safe.

Tout ça parce que ces robots sont vraiment sûrs.

The small size has some disadvantages,

Leur petite taille a ses inconvénients,

and nature has found a number of ways to compensate for these disadvantages.

mais la nature a trouvé des moyens de les compenser.

The basic idea is they aggregate to form large groups, or swarms.

L'idée est de former de larges groupes, des essaims.

So, similarly, in our lab, we try to create artificial robot swarms.

Donc, au labo, on essaye de faire la même chose, et de créer des essaims de robots.

And this is quite challenging

C'est un gros défi,

because now you have to think about networks of robots.

parce qu'il faut réfléchir en termes de réseau de robots.

And within each robot,

Et pour chaque robot,

you have to think about the interplay of sensing, communication, computation --

il faut penser à la combinaison des sens, de la communication, de la programmation.

and this network then becomes quite difficult to control and manage.

Le réseau devient vite difficile à contrôler et manœuvrer.

So from nature we take away three organizing principles

Donc nous nous inspirons des principes d'organisation de la nature

that essentially allow us to develop our algorithms.

pour développer nos algorithmes.

The first idea is that robots need to be aware of their neighbors.

La première idée est que chaque robot prenne son voisin en compte.

They need to be able to sense and communicate with their neighbors.

Il doit être capable de sentir et de communiquer avec ses voisins.

So this video illustrates the basic idea.

Cette vidéo illustre cette idée.

You have four robots --

Il y a quatre robots,

one of the robots has actually been hijacked by a human operator, literally.

et l'un d'entre eux a été littéralement détourné par un agent humain.

Mais puisque les robots interagissent les uns avec les autres,

But because the robots interact with each other,

they sense their neighbors,

ils localisent leur voisin,

they essentially follow.

et suivent le mouvement.

And here there's a single person able to lead this network of followers.

Et une seule personne peut contrôler tout un réseau.

So again, it's not because all the robots know where they're supposed to go.

Encore une fois, ce n'est pas parce que tous les robots savent où ils vont.

It's because they're just reacting to the positions of their neighbors.

Ils réagissent juste à la position de leurs voisins.

(Laughter)

(Rires)

So the next experiment illustrates the second organizing principle.

La prochaine expérience illustre le deuxième principe d'organisation.

And this principle has to do with the principle of anonymity.

Ce principe, c'est celui de l'anonymat.

Here the key idea is that

L'idée est la suivante :

the robots are agnostic to the identities of their neighbors.

les robots se fichent de l'identité de leurs voisins.

They're asked to form a circular shape,

On leur a demandé de former un cercle,

and no matter how many robots you introduce into the formation,

et quel que soit le nombre de robots ajoutés à la formation,

or how many robots you pull out,

ou retirés,

each robot is simply reacting to its neighbor.

chaque robot réagit simplement par rapport à son voisin.

It's aware of the fact that it needs to form the circular shape,

Il sait qu'il doit former un cercle,

but collaborating with its neighbors

mais en collaborant avec ses voisins,

it forms the shape without central coordination.

il forme le cercle sans coordination globale.

Now if you put these ideas together,

Donc, si on tient compte de ces deux idées,

the third idea is that we essentially give these robots

la troisième est que nous donnons à ces robots

mathematical descriptions of the shape they need to execute.

des descriptions mathématiques de la formation à exécuter.

And these shapes can be varying as a function of time,

Ces formes peuvent varier dans le temps,

and you'll see these robots start from a circular formation,

et vous verrez les robots commencer par un cercle,

change into a rectangular formation, stretch into a straight line,

pour passer à un triangle, s'étirer en ligne,

back into an ellipse.

et finalement revenir à une ellipse.

And they do this with the same kind of split-second coordination

Et ils font ça avec la même coordination instantanée

that you see in natural swarms, in nature.

que l'on trouve dans les vrais essaims, dans la nature.

So why work with swarms?

Mais pourquoi travailler avec des essaims ?

Let me tell you about two applications that we are very interested in.

Laissez-moi vous parler des deux applications qui nous intéressent le plus.

The first one has to do with agriculture,

La première concerne l'agriculture,

which is probably the biggest problem that we're facing worldwide.

qui est certainement le défi mondial le plus important.

As you well know,

Comme vous le savez,

one in every seven persons in this earth is malnourished.

une personne sur sept est en situation de malnutrition.

Most of the land that we can cultivate has already been cultivated.

Nous cultivons presque toutes les terres cultivables.

And the efficiency of most systems in the world is improving,

L'efficacité de nombreux systèmes mondiaux ne cesse de s'améliorer,

but our production system efficiency is actually declining.

mais notre système de production est en déclin.

And that's mostly because of water shortage, crop diseases, climate change

Cela vient principalement du manque d'eau, des maladies, du changement climatique,

and a couple of other things.

et d'autres facteurs.

So what can robots do?

Qu'y peuvent les robots ?

Well, we adopt an approach that's called Precision Farming in the community.

Nous avons adopté une approche appelée l'agriculture de précision.

And the basic idea is that we fly aerial robots through orchards,

Le principe est de faire voler des robots dans des vergers,

and then we build precision models of individual plants.

pour construire des modèles informatiques précis de chaque plante.

So just like personalized medicine,

Comme avec la médecine personnalisée,

while you might imagine wanting to treat every patient individually,

où l'on traite chaque patient individuellement,

what we'd like to do is build models of individual plants

nous voulons modéliser chaque plante,

and then tell the farmer what kind of inputs every plant needs --

pour pouvoir dire à l'agriculteur ce dont elles ont besoin individuellement.

the inputs in this case being water, fertilizer and pesticide.

Ici, ce serait de l'eau, de l'engrais ou des pesticides.

Here you'll see robots traveling through an apple orchard,

Vous pouvez voir un robot se déplacer dans une plantation de pommiers,

and in a minute you'll see two of its companions

et vous apercevrez bientôt deux de ses compagnons,

doing the same thing on the left side.

qui font le même travail à gauche.

And what they're doing is essentially building a map of the orchard.

En gros, ils sont en train de construire une carte du verger.

Within the map is a map of every plant in this orchard.

A l'intérieur de la carte, il y a une carte de chacun des arbres.

(Robot buzzing)

(le robot bourdonne)

Let's see what those maps look like.

Jetons un œil à ces cartes.

In the next video, you'll see the cameras that are being used on this robot.

Dans la vidéo suivante, vous verrez les caméras utilisées par ce robot.

On the top-left is essentially a standard color camera.

En haut à gauche, une caméra classique ;

On the left-center is an infrared camera.

au milieu, une caméra infrarouge ;

And on the bottom-left is a thermal camera.

et en bas, une caméra thermique.

And on the main panel, you're seeing a three-dimensional reconstruction

Sur l'écran principal, vous voyez la reconstruction en 3D

of every tree in the orchard as the sensors fly right past the trees.

de chaque arbre du verger, créée au fil de l'avancée des capteurs.

Armed with information like this, we can do several things.

Avec ces informations, nous pouvons faire de nombreuses choses.

The first and possibly the most important thing we can do is very simple:

La première chose, qui est sans doute la plus importante, est très simple :

count the number of fruits on every tree.

compter le nombre de fruits sur chaque arbre.

By doing this, you tell the farmer how many fruits she has in every tree

Quand l'agriculteur peut savoir combien de fruits il y a sur chaque arbre,

and allow her to estimate the yield in the orchard,

il peut évaluer le rendement du verger,

optimizing the production chain downstream.

et donc optimiser la chaîne de production en aval.

The second thing we can do

Nous pouvons aussi prendre les mesures des plantes,

is take models of plants, construct three-dimensional reconstructions,

les reproduire en 3D,

and from that estimate the canopy size,

et ainsi évaluer la taille de la canopée, puis mettre en relation

and then correlate the canopy size to the amount of leaf area on every plant.

la taille de la canopée et le nombre de feuilles sur chaque plante.

And this is called the leaf area index.

On appelle cela l'indice de surface feuillue.

So if you know this leaf area index,

Avec cet indice de surface feuillue,

you essentially have a measure of how much photosynthesis is possible in every plant,

on peut mesurer la capacité de photosynthèse de chaque plante,

which again tells you how healthy each plant is.

ce qui indique leur niveau de santé.

By combining visual and infrared information,

En combinant les informations visuelles et infrarouge,

we can also compute indices such as NDVI.

on peut aussi calculer des indices comme le NDVI.

And in this particular case, you can essentially see

Dans ce cas, on peut voir

there are some crops that are not doing as well as other crops.

que certaines plantes ne vont pas aussi bien que d'autres.

This is easily discernible from imagery,

On peut le voir facilement sur l'image,

not just visual imagery but combining

qui n'est pas seulement visuelle, mais combine

both visual imagery and infrared imagery.

à la fois les images visuelles et l'infrarouge.

Enfin, une des choses qui nous intéresse est

And then lastly,

one thing we're interested in doing is detecting the early onset of chlorosis --

la détection des premiers symptômes de la chlorose,

and this is an orange tree --

on a pris un oranger en exemple,

which is essentially seen by yellowing of leaves.

qui se manifeste par un jaunissement des feuilles.

But robots flying overhead can easily spot this autonomously

Les robots qui volent au-dessus des plantes peuvent la repérer facilement,

and then report to the farmer that he or she has a problem

et informer l'agriculteur qu'il a un problème

in this section of the orchard.

dans cette partie du verger.

Systems like this can really help,

Ce genre de système peut être très utile,

and we're projecting yields that can improve by about ten percent

et nous pensons pouvoir augmenter les rendements d'environ 10 %,

and, more importantly, decrease the amount of inputs such as water

et, surtout, diminuer les dépenses, en eau par exemple, d'au moins 25%.

by 25 percent by using aerial robot swarms.

Tout ça grâce aux essaims de robots volants.

Lastly, I want you to applaud the people who actually create the future,

Pour finir, je vous demande d'applaudir ceux qui créent le futur :

Yash Mulgaonkar, Sikang Liu and Giuseppe Loianno,

Yash Mulgaonkar, Sikang Liu et Giuseppe Loianno,

who are responsible for the three demonstrations that you saw.

qui ont réalisé les trois démonstrations que vous avez vues.

Thank you.

Merci.

(Applause)

(Applaudissements)