The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Raffaello D'Andrea: L'incroyable pouvoir athlétique des quadricoptères.

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Traducteur: Amandine Baratto Relecteur: Alix Giboulot

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

Alors, que signifie le concept d'athlétisme chez une machine ?

Nous allons expliciter le concept d'entraînement sportif des machines

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

et la recherche qui permet d'y arriver

with the help of these flying machines called quadrocopters,

à l'aide de ces machines volantes appelées quadricoptères,

or quads, for short.

ou quads, en abrégé.

Quads have been around for a long time.

Les quads ne sont pas tout récents.

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

La raison pour laquelle ils sont si populaires de nos jours

est parce qu'ils sont simples, mécaniquement parlant.

By controlling the speeds of these four propellers,

En controllant la vitesse de ces quatre hélices,

these machines can roll, pitch, yaw,

ces machines peuvent tourner, s'incliner, faire des embardées

and accelerate along their common orientation.

et accélérer tout en gardant la même orientation.

On board are also a battery, a computer,

A bord, il y a aussi une batterie, un ordinateur,

various sensors and wireless radios.

senseurs divers et radios sans fil.

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

Les quads sont extrêmement agiles, mais cette agilité a un prix.

They are inherently unstable,

Ils sont instables par nature, et ils ont besoin d'une sorte

and they need some form of automatic feedback control

de contrôle automatique de rétroaction afin d'être capable de voler.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Alors, comment vient-il de faire ça ?

Cameras on the ceiling and a laptop

Des caméras sur le toit et un ordinateur portable

serve as an indoor global positioning system.

servent de système global de positionnement d'intérieur.

Cela sert à situer des objets dans l'espace

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

qui auraient ces marques réfléchissantes sur eux.

This data is then sent to another laptop

Ces données sont envoyées à un autre ordinateur

that is running estimation and control algorithms,

qui fait des estimations et des algorithmes de contrôle,

which in turn sends commands to the quad,

qui à son tour commande le quad,

which is also running estimation and control algorithms.

qui fait aussi des estimations et des algorithmes de contrôle.

The bulk of our research is algorithms.

L'essentiel de notre recherche est basée sur les algorithmes.

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

Ils sont la magie qui rend ces machines vivantes.

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

Alors, comment fait-on pour concevoir des algorithmes

qui font naître un athlète mécanique ?

We use something broadly called model-based design.

Nous utilisons quelque chose qui est généralement appelé la conception basée sur modèle.

We first capture the physics

D'abord, nous saisissons les propriétés physiques à travers un modèle mathématique

with a mathematical model of how the machines behave.

sur le comportement des machines.

We then use a branch of mathematics called control theory

Nous utilisons ensuite une discipline des mathématiques

appelée la théorie du contrôle afin d'analyser ces modèles

to analyze these models

et aussi de synthétiser les algorithmes pour les contrôler.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Par exemple, c'est comme ça qu'on peut faire voltiger le quad.

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

D'abord, nous avons saisi la dynamique

grâce à un groupe d'équations différentielles.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Nous manipulons ensuite ces équations à l'aide de

la théorie du contrôle afin de créer des algorithmes qui stabilisent le quad.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Je vais vous démontrer la puissance de cette approche.

Suppose that we want this quad to not only hover

Supposons que nous voulions non seulement faire voltiger ce quad

but to also balance this pole.

mais aussi qu'il garde cette barre en équilibre.

With a little bit of practice,

Avec un peu d'entraînement,

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

c'est assez facile pour les être humains de faire cela,

bien que nous ayons l'avantage d'avoir

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

nos deux pieds au sol

et de pouvoir utiliser nos mains très polyvalentes.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Cela devient un peu plus difficile

when I only have one foot on the ground

lorsque j'ai seulement un pied au sol

and when I don't use my hands.

et que je n'utilise pas mes mains.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Remarquez la marque réfléchissante en haut de cette barre,

which means that it can be located in the space.

ce qui signifie qu'elle peut être localisée dans l'espace.

(Audience) Oh!

(Applaudissements)

(Applause)

(Applause ends)

Vous pouvez remarquer que ce quad fait de minutieux ajustements

You can notice that this quad is making fine adjustments

afin de garder cette barre en équilibre.

to keep the pole balanced.

Comment avons-nous conçu les algorithmes pour faire cela ?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Nous avons ajouté le modèle mathématique de la barre

to that of the quad.

à celui du quad.

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

Une fois que nous obtenons un modèle du système combiné quad-barre,

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

nous pouvons utiliser la théorie du contrôle afin de créer des algorithmes pour le contrôler.

Here, you see that it's stable,

Là, vous pouvez voir que c'est stable,

and even if I give it little nudges,

et même si je la pousse un peu,

it goes back --

elle retourne à une position joliment équilibrée.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Nous pouvons également améliorer le modèle pour lui indiquer

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

où nous voulons que le quad soit situé dans l'espace.

Using this pointer, made out of reflective markers,

En utilisant ce pointeur, fait de marques réfléchissantes,

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

je peux indiquer où je veux déplacer le quad dans l'espace

a fixed distance away from me.

à une distance prédéfinie de moi.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

La clé de ces manœuvres acrobatiques est l'algorithme,

designed with the help of mathematical models

conçu à l'aide de modèles mathématiques

and control theory.

et de la théorie du contrôle.

Let's tell the quad to come back here

Demandons au quad de revenir ici

and let the pole drop,

et de laisser la barre tomber,

and I will next demonstrate the importance

et je vais ensuite vous démontrer l'importance

de comprendre les modèles physiques

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

et le fonctionnement du monde physique.

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

Remarquez que le quad perd de l'altitude

lorsque je pose ce verre d'eau dessus.

Unlike the balancing pole,

Contrairement au cas de la barre en équilibre, je n'ai pas inclus

I did not include the mathematical model of the glass

le modèle mathématique du verre dans le système.

in the system.

En fait, le système ne sait même pas que le verre d'eau est là.

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

Comme dans le cas précédent, je pourrais utiliser le pointeur pour indiquer au quad

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

where I want it to be in space.

où je veux qu'il aille dans l'espace.

(Applaudissements)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

OK, vous devez vous demander,

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

pourquoi l'eau ne tombe-t-elle pas du verre ?

Two facts.

Deux faits : le premier est que la gravité agit

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

de la même façon sur tous les objets.

The second is that the propellers

Le deuxième est que les hélices se dirigent toutes

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

vers la même direction que le verre, vers le haut.

You put these two things together,

Vous assemblez ces deux choses, le résultat

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

est que toutes les forces latérales sur le verre sont faibles

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

et sont majoritairement dominées par les effets aérodynamiques

which at these speeds are negligible.

qui à cette vitesse sont insignifiants.

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

Et c'est pourquoi vous n'avez pas besoin de modéliser le verre.

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

Il est naturel que cela ne se renverse pas; peu importe ce que le quad fait.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Applaudissements)

(Applause ends)

The lesson here

Ce que nous devons en retirer ici est que certaines tâches de haute performance

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

sont plus faciles que d'autres,

and that understanding the physics of the problem

et que le fait de comprendre les propriétés physiques du problème

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

vous indique lesquelles sont faciles et lesquelles sont difficiles.

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

Dans cet exemple, porter un verre d'eau est facile.

Balancing a pole is hard.

Garder une barre en équilibre est difficile.

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

Nous avons tous entendu des histoires d'athlètes

qui font des prouesses alors qu'ils sont physiquement blessés.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Est-ce qu'une machine peut également être performante

tout en étant physiquement endommagée?

Conventional wisdom says

La pensée conventionnelle dit que vous avez besoin

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

d'un minimum de quatre pairs fixes d'hélices motorisées afin que le quad puisse voler,

because there are four degrees of freedom to control:

car il y a quatre degrés de marge de manœuvre :

roll, pitch, yaw and acceleration.

tours, inclinaisons, embardées et accélérations.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Les hexacoptères et les octocoptères, avec six et huit hélices,

can provide redundancy,

peuvent assurer de la redondance,

but quadrocopters are much more popular

mais les quadrocoptères sont bien plus populaires

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

car ils ont un nombre limité

de paires fixes d'hélices motorisées : quatre.

Or do they?

Forcément ?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Si nous analysons le modèle mathématique de cette machine

with only two working propellers,

avec seulement deux hélices qui fonctionnent,

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

nous découvrons un mode de vol peu conventionnel.

We relinquish control of yaw,

Il faut renoncer à contrôler les embardées,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

mais les tours, inclinaisons et les accélérations peuvent toujours être contrôlées

with algorithms that exploit this new configuration.

à travers des algorithmes qui utilisent cette nouvelle configuration.

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

Les modèles mathématiques nous indiquent exactement quand

et pourquoi cela est possible.

In this instance, this knowledge allows us to design

Dans cet exemple, ces connaissances nous permettent de concevoir

novel machine architectures

des nouvelles architectures de machines

ou de concevoir des algorithmes intelligents qui peuvent supporter les dommages,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

avec la même grâce que les athlètes humains,

instead of building machines with redundancy.

au lieu de construire des machines avec de la redondance.

We can't help but hold our breath

Nous ne pouvons pas faire autrement que de retenir notre souffle lorsque nous regardons

when we watch a diver somersaulting into the water,

un plongeur faire un saut périlleux pour atterrir dans l'eau,

or when a vaulter is twisting in the air,

ou lorsqu'un gymnaste fait des acrobaties en l'air,

tout en voyant le sol se rapprocher rapidement.

the ground fast approaching.

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

Est-ce que le plongeur réussira à plonger dans l'eau sans trop d'éclaboussures ?

Will the vaulter stick the landing?

Est-ce que le gymnaste réussira à atterrir correctement ?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Imaginez que nous voulions que ce quad

réalise un triple flip et finisse

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

à l'endroit exact où il avait commencé.

This maneuver is going to happen so quickly

Cette manoeuvre va être réalisée si rapidement

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

que nous ne pourrons pas utiliser la rétroaction pour corriger le mouvement pendant la réalisation.

There simply isn't enough time.

Il n'y a tout simplement pas assez de temps.

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

Au lie de ça, ce que le quad peut faire, c'est réaliser la manœuvre à l'aveugle,

observe how it finishes the maneuver,

observer comment il finit la manœuvre,

and then use that information to modify its behavior

et utiliser ensuite ces informations pour modifier son comportement

so that the next flip is better.

afin que le prochain flip soit mieux réalisé.

Similar to the diver and the vaulter,

De la même façon que le plongeur et le gymnaste,

it is only through repeated practice

c'est seulement à travers un entraînement répété

that the maneuver can be learned and executed

que la manoeuvre peut être assimilée et réalisée

to the highest standard.

au plus haut niveau.

(Laughter)

(Applause)

(Applaudissements)

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

Frapper une balle en mouvement est une compétence nécessaire dans de nombreux sports.

Comment amène-t-on une machine à faire

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

ce qu'un athlète fait de toute évidence sans effort ?

(Laughter)

(Applaudissements)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Ce quad a une raquette fixée sur sa tête,

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

avec une zone de frappe idéale de la taille d'une pomme environ, donc pas vraiment grande.

Les calculs suivants sont effectués chaque 20 millisecondes,

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

soit 50 fois par seconde.

We first figure out where the ball is going.

D'abord, nous essayons de comprendre où va la balle.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Ensuite, nous calculons comment le quad devrait la frapper

pour qu'elle retourne à l'endroit exact d'où elle a été jetée.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Troisièmement, on prévoit une trajectoire qui amène le quad

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

de son point initial vers le point d'impact avec la balle.

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

Quatrièmement, nous réalisons cette stratégie en seulement 20 millisecondes.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Vingt millisecondes plus tard, le processus entier est répété

until the quad strikes the ball.

jusqu'à ce que le quad frappe la balle.

(Applause)

(Applaudissements)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Les machines ne peuvent pas seulement réaliser des manoeuvres dynamiques seules,

they can do it collectively.

elles peuvent le faire collectivement.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Ces trois quads sont en train de coopérer pour porter ce filet.

(Applause)

(Applaudissements)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Ils réalisent une manoeuvre extrêmement dynamique

et collective

to launch the ball back to me.

pour me renvoyer la balle.

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

Notez que, lorsqu'ils tendent le filet, ces quads sont verticaux.

(Applause)

(Applaudissements)

In fact, when fully extended,

En fait, lorsqu'ils étendent complètement le filet,

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

cela revient à multiplier par cinq ce que ressent une personne

at the end of their launch.

à la fin d'un saut en bungee.

The algorithms to do this are very similar

Les algorithmes utilisés ici sont vraiment similaires

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

à ceux utilisés précédemment pour que le quad me renvoie la balle.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Les modèles mathématiques sont utilisés afin de recalculer continuellement

a cooperative strategy 50 times per second.

une stratégie de coopération 50 fois par seconde.

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

Tout ce que nous avons vu jusqu'ici concernait

les machines et leur potentiel.

What happens when we couple this machine athleticism

Que se passe-t-il lorsque l'on associe cette sportivité des machines

with that of a human being?

à celle des êtres humains ?

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

Ce que j'ai en face de moi est un détecteur de mouvement disponible sur le marché

mainly used in gaming.

et qui est principalement utilisé dans les jeux vidéos.

It can recognize what my various body parts

Il peut reconnaître ce que font les différentes parties de mon corps

are doing in real time.

en temps réel.

Similar to the pointer that I used earlier,

Similaire au pointeur que j'ai utilisé précédemment,

we can use this as inputs to the system.

nous pouvons l'utiliser pour entrer des données dans le système.

We now have a natural way of interacting

Nous avons maintenant une façon tout à fait naturelle d'interagir

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

avec l’athlétisme pur de ces quads à travers mes gestes.

(Applause)

(Applaudissements)

L'interaction n'a pas besoin d'être virtuelle. Elle peut être physique.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Prenez ce quad par exemple.

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

Il essaie de rester à un point fixe dans l'espace.

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

Si j'essaye de le faire bouger, il me résiste,

and moves back to where it wants to be.

et revient se placer à l'endroit voulu.

We can change this behavior, however.

Il est toutefois possible de changer ce comportement.

We can use mathematical models

Nous pouvons utiliser des modèles mathématiques

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

pour estimer la force que j'applique sur ce quad.

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

Une fois que l'on connaît cette force, il est possible de changer les lois de la physique,

as far as the quad is concerned, of course.

se limitant au quad, bien entendu.

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

Ici le quad se comporte comme s'il se retrouvait

dans un liquide visqueux.

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

Nous avons maintenant une façon privilégiée

d'interagir avec une machine.

I will use this new capability to position

Je vais utiliser cette nouvelle capacité pour positionner

this camera-carrying quad to the appropriate location

ce quad portant une caméra à un emplacement approprié

for filming the remainder of this demonstration.

afin de filmer le reste de cette démonstration.

So we can physically interact with these quads

Alors, nous pouvons interagir physiquement avec ces quads

and we can change the laws of physics.

et changer les lois de la physique.

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

Amusons-nous donc un petit peu avec ceci.

For what you will see next,

Vous allez voir ces quads

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

se comporter tout d'abord comme s'ils étaient sur Pluton.

As time goes on, gravity will be increased

Petit à petit, la gravité sera renforcée

until we're all back on planet Earth,

jusqu'à ce que nous retournions tous sur la planète Terre,

but I assure you we won't get there.

mais je vous rassure, nous n'irons pas jusqu'au bout.

Okay, here goes.

Ok, on y va.

(Laughter)

(Rires)

(Laughter)

(Rires)

(Applause)

(Applaudissements)

Whew!

Ouf !

Vous êtes en train de penser,

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

ces gars s'éclatent plus qu'ils ne devraient,

and you're probably also asking yourself,

et vous vous demandez peut-être aussi,

why exactly are they building machine athletes?

mais pourquoi construisent-ils des machines athlètes ?

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Certains présument que le rôle du jeu dans le royaume animal

est d'aiguiser les compétences et de développer des capacités.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

D'autres pensent que le jeu a plus un rôle social,

that it's used to bind the group.

qui est utilisé pour lier le groupe.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

De la même façon, nous utilisons l'analogie entre le sport et l'ambition athlétique

to create new algorithms for machines

pour créer de nouveaux algorithmes et pousser les machines

to push them to their limits.

jusqu'aux limites de leurs possibilités.

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

Quel impact aura la vitesse des machines sur notre mode de vie ?

Like all our past creations and innovations,

Comme toutes nos créations et innovations passées,

they may be used to improve the human condition

elles peuvent être utilisées pour améliorer la condition humaine

or they may be misused and abused.

ou alors on peut en abuser et les utiliser à mauvais escient.

This is not a technical choice we are faced with;

Nous ne sommes pas confrontés à un choix technique;

it's a social one.

mais à un choix social.

Let's make the right choice,

Faisons le bon choix,

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

le choix qui tire le meilleur de l'avenir des machines,

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

exactement comme l'entraînement sportif dans le sport

peut faire ressortir ce qu'il y a de mieux en nous.

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

Laissez-moi vous présenter les magiciens derrière le rideau vert.

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

Ils sont membres de l'équipe de recherche Flying Machine Arena.

(Applause)

(Applaudissements)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller et Robin Ritz.

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

Gardez les à l'oeil. Ils sont destinés à de grandes choses.

Merci.

Thank you.

(Applause)

(Applaudissements)