The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Fordító: Sándor Nagy Lektor: Medve Gyula

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

Mit jelent az, hogy atletikus egy gép esetében?

A gépi atleticizmus szemléltetéséhez

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

és a kapcsolódó kutatások áttekintéséhez

with the help of these flying machines called quadrocopters,

a kvadrokopter nevű repülő szerkezetet --

or quads, for short.

röviden: a kvadot -- fogom példaként használni.

Quads have been around for a long time.

A kvad nem új dolog.

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

Mai nagy népszerűségét

egyszerű mechanikai felépítésének köszönheti.

By controlling the speeds of these four propellers,

A négy propeller sebességétől függően

these machines can roll, pitch, yaw,

képes billenni, megdőlni, elfordulni

and accelerate along their common orientation.

és gyorsulni az eredeti állapotához képest.

On board are also a battery, a computer,

A kvad fedélzetén van egy telep, egy komputer,

various sensors and wireless radios.

számos érzékelő és adó-vevő.

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

A kvad rendkívül mozgékony, de ennek ára van:

They are inherently unstable,

eredendően instabil. Ezért csak visszacsatolás és

and they need some form of automatic feedback control

automatikus vezérlés segítségével képes repülni.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Lássuk, hogy megy ez.

Cameras on the ceiling and a laptop

A mennyezeti kamerák és egy laptop együttese

serve as an indoor global positioning system.

afféle beltéri GPS-t alkot.

Megállapítja azoknak a testeknek a térbeli helyzetét,

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

amelyeken ilyen fényvisszaverő jelölések vannak.

This data is then sent to another laptop

Ezeket az adatokat átküldi egy másik laptopra,

that is running estimation and control algorithms,

mely közelítő és szabályozó algoritmusokat futtat.

which in turn sends commands to the quad,

Ez a laptop utasításokat küld a kvadnak, amelyen

which is also running estimation and control algorithms.

szintén futnak közelítő és szabályozó algoritmusok.

The bulk of our research is algorithms.

Nos, kutatásaink zöme algoritmusokról szól.

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

Ez az a varázslat, mely életre kelti a kvadot.

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

Hogyan lehet olyan algoritmust kreálni,

amelytől a kvad gépi atlétává válik?

We use something broadly called model-based design.

A dolog alapját a modellalapú tervezés adja.

We first capture the physics

Először is a gépviselkedés fizikáját

with a mathematical model of how the machines behave.

lefordítjuk egy matematikai modellre.

We then use a branch of mathematics called control theory

Azután a modellt a szabályozáselmélet matematikai

eszközeivel elemezzük, és létrehozunk olyan algoritmusokat,

to analyze these models

amelyekkel szabályozható lesz a modell.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

A kvad lebegtetését például így oldottuk meg:

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

Először is a dinamikát felírtuk

egy differenciálegyenlet-rendszer segítségével.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Ezután a felírt egyenleteket elkezdtük manipulálni

a szabályozáselmélet segítségével, hogy olyan algoritmust kapjunk, mely a kvadot stabilizálni tudja.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Hadd demonstráljam a módszer erejét egy példával.

Suppose that we want this quad to not only hover

Tegyük fel, hogy nemcsak azt szeretnénk, hogy ez a kvad

but to also balance this pole.

lebegjen, hanem azt is, hogy egyensúlyozni tudja ezt a pálcát.

With a little bit of practice,

Mi, emberi lények, egy kis gyakorlattal,

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

könnyedén elvégezzük ezt a feladatot --

persze előnyben vagyunk a kvaddal szemben,

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

mert két lábon állunk a földön,

és ügyes kezünk van.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Kissé nehezebben megy a dolog,

when I only have one foot on the ground

ha fél lábon állok,

and when I don't use my hands.

és nem a kezemet használom.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Amint látják, a pálca tetején van egy fényvisszaverő jelzés,

which means that it can be located in the space.

ami azt jelenti, hogy a térbeli helyzete megállapítható.

(Audience) Oh!

(Taps)

(Applause)

(Applause ends)

Figyeljék meg: a kvad finom korrekciókat végez,

You can notice that this quad is making fine adjustments

hogy a pálca egyensúlyban maradjon.

to keep the pole balanced.

Hogyan terveztük meg vajon az ehhez szükséges algoritmust?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Egyszerűen: a pálca matematikai modelljét

to that of the quad.

hozzáadtuk a kvadéhoz.

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

Mihelyt megvan a kvad-pálca rendszer együttes modellje,

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

a szabályozáselmélet segítségével algoritmust rendelhetünk hozzá.

Here, you see that it's stable,

Amint látják, a rendszer stabil,

and even if I give it little nudges,

és még ha lökdösöm is egy picit,

it goes back --

akkor is visszaviszi a pálcát az egyensúlyi helyzetébe.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

A modellt kibővíthetjük azzal, hogy megmondjuk,

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

melyik pontban legyen a kvad.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Ha fogom ezt a fényvisszaverővel ellátott mutatót,

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

akkor kijelölhetek egy fix távolságra lévő pontot,

a fixed distance away from me.

ahová a kvadot át akarom irányítani.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Az ilyen atlétikai mutatványok titka egy algoritmus,

designed with the help of mathematical models

melyet valamilyen matematikai modellre építettek

and control theory.

a szabályozáselmélet segítségével.

Let's tell the quad to come back here

Mondjuk meg a kvadnak, hogy jöjjön vissza ide,

and let the pole drop,

és hagyja leesni a pálcát.

and I will next demonstrate the importance

Most pedig érzékeltetni szeretném, milyen fontos

megérteni a fizikai modelleket

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

és a fizikai elvek működését.

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

Figyeljék meg, hogy a kvad lejjebb ereszkedett,

amikor rátettem a pohár vizet.

Unlike the balancing pole,

Most ugyanis, a pálca-egyensúlyozással ellentétben,

I did not include the mathematical model of the glass

a pohár matematikai modelljét nem foglaltam bele a rendszerbe.

in the system.

Tehát a rendszer nem is sejti, hogy van itt egy pohár víz is.

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

De ahogy az imént, a mutatóval most is jelezni tudom

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

where I want it to be in space.

a kvadnak, hová menjen.

(Taps)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Most nyilván azon tűnődnek,

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

hogyhogy nem löttyen ki a víz a pohárból.

Two facts.

Két tényt említek. Először is, a gravitáció

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

minden testre ugyanúgy hat.

The second is that the propellers

Másodszor, a propellerek tengelye párhuzamos a poháréval,

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

vagyis alaphelyzetben felfelé mutat.

You put these two things together,

Tekintsük a kettőt egyszerre: kiderül,

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

hogy a pohárra ható oldalerők, melyekért

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

főleg az aerodinamikai hatások felelősek,

which at these speeds are negligible.

elhanyagolhatóan kicsik ekkora sebességeknél.

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

Ezért nincs szükség a pohár modellezésére:

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

a víz nem fog kilöttyenni, akárhogy mozog is a kvad.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Taps)

(Applause ends)

The lesson here

Az a tanulság ebből, hogy a mutatványok egy része

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

könnyebben megy a többinél,

and that understanding the physics of the problem

és hogy a probléma fizikájának megértése dönti el,

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

hogy melyiket lesz egyszerűbb kivitelezni.

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

Például az imént a pohár víz szállítása egyszerű volt,

Balancing a pole is hard.

a pálca egyensúlyozása viszont nehéz.

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

Mindannyian hallottunk már olyan atlétákról,

akik fizikai sérülésük dacára sem adták fel a versenyt.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Vajon egy súlyosan megrongálódott gép is

képes működni?

Conventional wisdom says

Józan eszünk azt súgja, hogy legalább

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

négy rögzített motor-propeller együttes kell a repüléshez,

because there are four degrees of freedom to control:

mert a következő négy szabadsági fokot kell szabályozni:

roll, pitch, yaw and acceleration.

billenés, dőlés, elfordulás és gyorsulás.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

A hexakopter és az oktokopter -- 6, ill. 8 propelleres lévén --

can provide redundancy,

redundanciát, magyarán tartalékot biztosít,

but quadrocopters are much more popular

de a kvadrokopter mégis sokkal népszerűbb,

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

mert a minimális számú -- tehát 4 --

rögzített motor-propeller együttessel rendelkezik.

Or do they?

Vagy kevesebb is elég?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Ha elemezzük a kvad matematikai modelljét,

with only two working propellers,

mindössze két működő propellerrel,

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

kiderül, hogy rendhagyó módon is lehet működtetni.

We relinquish control of yaw,

Le kell mondanunk ugyan az elfordulás szabályozásáról,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

de a billenés, dőlés és gyorsulás szabályozható marad,

with algorithms that exploit this new configuration.

csak az új konfigurációhoz való algoritmust kell használni.

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

A matematikai modell elárulja, hogy pontosan mikor

és mért lehetséges ez.

In this instance, this knowledge allows us to design

Ennek ismeretében képesek vagyunk

novel machine architectures

újszerű géparchitektúrák kialakítására,

ill. olyan okos algoritmusok létrehozására, melyek

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

az emberi atlétákhoz hasonlóan viselik el a sérülést,

instead of building machines with redundancy.

és így nem kell redundanciát biztosító gépeket használni.

We can't help but hold our breath

Lélegzetvisszafojtva bámuljuk

when we watch a diver somersaulting into the water,

a vízbe szaltózó műugrót

or when a vaulter is twisting in the air,

és a levegőben megforduló tornászt,

miközben a talaj sebesen közeledik felé.

the ground fast approaching.

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

Vajon az ugró csobbanás nélkül fog a vízben elmerülni?

Will the vaulter stick the landing?

Vajon a tornász talajfogása tökéletes lesz?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Mondjuk, hogy azt szeretnénk, ha ez a kvad itt

egy tripla flipet hajtana végre, melyet pontosan ott

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

kell befejeznie, ahol elkezdte.

This maneuver is going to happen so quickly

A manőver olyan gyorsan megy végbe, hogy a

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

visszacsatolás és pályakorrekció nem működik.

There simply isn't enough time.

Egyszerűen nincs rá idő!

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

Ezért a kvad "vakon" hajtja végre a mutatványt,

observe how it finishes the maneuver,

megfigyeli, hogyan sikerült,

and then use that information to modify its behavior

majd ez alapján úgy módosítja a viselkedését,

so that the next flip is better.

hogy a következő flip pontosabb legyen.

Similar to the diver and the vaulter,

Akárcsak a műugró és a tornász esetében,

it is only through repeated practice

csakis a gyakorlás segítheti abban,

that the maneuver can be learned and executed

hogy a manővert megtanulja és így a végrehajtás

to the highest standard.

a lehető legjobban sikerüljön.

(Laughter)

(Applause)

(Taps)

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

A mozgó labda eltalálása több sportban elvárt képesség.

Hogy lehet elérni, hogy egy gép megcsinálja azt,

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

amit egy sportoló látható könnyedséggel képes megtenni?

(Laughter)

(Taps)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Ennek a kvadnak egy ütőt szíjaztunk a fejéhez:

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

az ütő optimális területe kb. alma nagyságú, tehát nem túl nagy.

A következő számítást másodpercenként 50-szer kell elvégezni,

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

vagyis 20 milliszekundumonként egyszer.

We first figure out where the ball is going.

Először is meg kell határozni, hogy merre megy a labda.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Aztán azt kell kiszámolni, hogy üsse meg a kvad a labdát,

hogy az arra repüljön, ahonnan jött.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Harmadszor, ki kell számítani a kvad mozgáspályáját

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

az adott helyétől addig a pontig, ahol elvileg ütközni fog a labdával.

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

Negyedszer, 20 ms időtartamig követjük a kiszámolt stratégiát.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Húsz milliszekundum múlva megismételjük az egészet,

until the quad strikes the ball.

míg a kvad ténylegesen el nem éri a labdát.

(Applause)

(Taps)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

A gépek tehát önállóan képesek dinamikai manőverezésre,

they can do it collectively.

sőt, képesek az együttműködésre is.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Ez a három kvad közösen visz egy hálót.

(Applause)

(Taps)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Rendkívül dinamikus

és összehangolt manőverezés szükséges ahhoz,

to launch the ball back to me.

hogy a labdát visszapasszolják nekem.

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

Figyeljék meg: amikor a háló kifeszül, a kvadok kifelé fordulnak.

(Applause)

(Taps)

In fact, when fully extended,

Nem véletlen: amikor a háló kifeszül, a kvadok kb. az ötszörösét

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

kapják annak a gyorsulásnak, amit a bungee-jumpingozó

at the end of their launch.

érez a zuhanás végén.

The algorithms to do this are very similar

A mutatvány algoritmusa nagyon hasonlít ahhoz,

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

mint amikor egyetlen kvaddal üttetem vissza a labdát.

Mathematical models are used to continuously re-plan

A matematikai modell segítségével folyamatosan, azaz

a cooperative strategy 50 times per second.

másodpercenként 50-szer újratervezzük a kooperatív stratégiát.

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

Minden, amit eddig láttunk,

gépekről és ezek képességeiről szólt.

What happens when we couple this machine athleticism

Mi történik akkor, ha a gépi atleticizmust

with that of a human being?

összekapcsoljuk az emberivel?

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

Ami előttem van, az egy kereskedelmi forgalomban lévő

mainly used in gaming.

gesztikulációérzékelő, melyet főleg játékokhoz használnak.

It can recognize what my various body parts

Ez valós időben képes felismerni, hogy mit csinálok

are doing in real time.

a testem különböző részeivel.

Similar to the pointer that I used earlier,

Ahogy korábban a mutató mozgatásával,

we can use this as inputs to the system.

úgy ezzel is adhatok jelzéseket a rendszernek.

We now have a natural way of interacting

Így természetesebb kapcsolatot alakíthatok ki a kvad

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

nyers atleticizmusával, mert csak gesztikulálnom kell.

(Applause)

(Taps)

A kapcsolat nem okvetlenül virtuális -- lehet fizikai is.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Tekintsük pl. ezt a kvadot.

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

Megpróbál a tér egy adott pontjában maradni.

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

Ha el akarom mozdítani a helyéről, ellenáll nekem,

and moves back to where it wants to be.

és visszamegy oda, ahol lenni szeretne.

We can change this behavior, however.

Ez a viselkedés azonban megváltoztatható.

We can use mathematical models

Matematikai modellt használhatunk annak az erőnek

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

a becslésére, amellyel a kvadra hatok.

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

Ha ismerem ezt az erőt, akkor megváltoztathatom

as far as the quad is concerned, of course.

a fizika törvényeit, de persze csak a kvadra vonatkozóan.

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

Ez a kvad úgy viselkedik, mintha

viszkózus folyadék venné körül.

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

Ezáltal lehetőség van arra,

hogy a géppel való kapcsolat simább legyen.

I will use this new capability to position

Ezt az új lehetőséget arra fogom használni, hogy ezt a

this camera-carrying quad to the appropriate location

kamerahordozó kvadot arra a helyre mozgassam,

for filming the remainder of this demonstration.

ahonnan a demonstráció hátralévő részét filmeznie kell.

So we can physically interact with these quads

Tehát fizikai kölcsönhatásba léphetünk a kvadokkal,

and we can change the laws of physics.

és megváltoztathatjuk a fizika törvényeit.

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

És most játsszunk egy kicsit.

For what you will see next,

A következő mutatvány elején a kvadok

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

úgy fognak viselkedni, mintha a Plútón lennének.

As time goes on, gravity will be increased

Ahogy telik az idő, a gravitáció erősödni fog,

until we're all back on planet Earth,

míg vissza nem térünk a Földre,

but I assure you we won't get there.

ahonnan persze el sem mozdulunk.

Okay, here goes.

Nos, vágjunk bele!

(Laughter)

(Nevetés)

(Laughter)

(Nevetés)

(Applause)

(Taps)

Whew!

Fhu!

Most biztos azt gondolják,

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

hogy ezek a fickók itt jól elszórakozgatnak;

and you're probably also asking yourself,

no meg azt,

why exactly are they building machine athletes?

hogy mi szükség van gépi atlétákra.

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Egyeseknek az ugrik be, hogy az állatvilágban a játék szerepe

a készségek csiszolása és a képességek fejlesztése.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Mások arra gondolnak, hogy inkább közösségi szerepe van,

that it's used to bind the group.

vagyis a csoportok megerősítésére szolgál.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

A sport és az atleticizmus párhuzamát arra használjuk,

to create new algorithms for machines

hogy új algoritmusokat hozzunk létre, és így a gépeket

to push them to their limits.

a teljesítőképességük határáig fejlesszük.

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

Milyen hatása lesz a gépek sebességének az életünkre?

Like all our past creations and innovations,

Az összes eddigi találmányhoz és innovációhoz hasonlóan

they may be used to improve the human condition

hasznára is lehet a dolog az embernek,

or they may be misused and abused.

de vissza is lehet élni vele.

This is not a technical choice we are faced with;

A kérdés nem technikai természetű,

it's a social one.

hanem társadalmi.

Let's make the right choice,

Egyetlen helyes választás létezik:

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

kihozni a legjobbat abból, amit a gépek jövője tartogathat --

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

épp úgy, ahogy a sportban az atleticizmus

segíthet kihozni a legjobbat önmagunkból.

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

Hadd mutassam be a zöld függöny mögött rejtőző varázslókat --

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

a Flying Machine Arena kutatócsoport jelenlegi tagjait!

(Applause)

(Taps)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller és Robin Ritz.

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

Jegyezzék meg őket. Szerintem hallani fognak még róluk.

Köszönöm.

Thank you.

(Applause)

(Taps)