The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Translator: Teddy Budiwan Reviewer: Lisa Santika Onggrid

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

Jadi apa artinya bagi mesin menjadi atletis?

Kami akan mendemostrasikan konsep atletis pada mesin

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

dan penelitian yang diperlukan untuk mencapainya

with the help of these flying machines called quadrocopters,

dengan pertolongan dari mesin terbang bernama quadrocopters ini,

or quads, for short.

atau disingkat quad.

Quads have been around for a long time.

Quad sudah ada sejak lama.

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

Mereka sangat populer belakangan ini

karena secara mekanisme mereka sederhana.

By controlling the speeds of these four propellers,

Dengan mengendalikan ke 4 baling-baling ini,

these machines can roll, pitch, yaw,

mesin ini dapat melakukan roll, pitch, yaw,

and accelerate along their common orientation.

dan mempercepat kecepatan sepanjang arah yang ditujunya.

On board are also a battery, a computer,

Mereka mengandung baterai, komputer,

various sensors and wireless radios.

berbagai sensor dan radio nirkabel.

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

Quads sangat lincah, namun sebagai gantinya ada kerugian.

They are inherently unstable,

Mereka sangat tidak stabil, dan mereka memerlukan beberapa bentuk

and they need some form of automatic feedback control

umpan balik kontrol otomatis untuk bisa terbang.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Jadi, bagaimana cara ia melakukannya?

Cameras on the ceiling and a laptop

Kamera di langit-langit dan sebuah laptop

serve as an indoor global positioning system.

berfungsi sebagai global positioning system indoor.

Hal ini digunakan untuk menemukan objek dalam ruang

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

yang memiliki tanda-tanda reflektif ini.

This data is then sent to another laptop

Data ini kemudian dikirim ke laptop lain

that is running estimation and control algorithms,

yang menjalankan estimasi dan algoritma kontrol,

which in turn sends commands to the quad,

yang kemudian mengirim perintah ke quad,

which is also running estimation and control algorithms.

yang juga menjalankan estimasi dan algoritma kontrol.

The bulk of our research is algorithms.

Sebagian besar penelitian kami adalah mengenai algoritma.

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

Itu adalah keajaiban yang membuat mesin ini hidup.

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

Jadi bagaimana mendesain algoritma

yang menciptakan sebuah atlet mesin?

We use something broadly called model-based design.

Kami menggunakan sesuatu yang disebut desain berbasis model.

We first capture the physics

Kami menangkap gerak fisika dengan model matematika

with a mathematical model of how the machines behave.

bagaimana mesin berperilaku.

We then use a branch of mathematics called control theory

Lalu kami menggunakan cabang dari matematika

yang disebut teori kontrol untuk menganalisis model ini

to analyze these models

dan juga untuk mensintesis algoritma untuk mengendalikan mereka.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Sebagai contoh, itu adalah bagaimana kita dapat membuat quad melakukan hover.

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

Kami menangkap dinamikanya

dengan serangkaian persamaan diferensial.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Kita kemudian memanipulasi persamaan dengan bantuan

dari teori kontrol untuk membuat algoritma yang menstabilkan quad.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Biarkan aku tunjukkan kekuatan dari pendekatan ini.

Suppose that we want this quad to not only hover

Katakan kita ingin quad ini tidak hanya melayang

but to also balance this pole.

tetapi juga menyeimbangkan tiang ini.

With a little bit of practice,

Dengan sedikit latihan,

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

Hal ini cukup sederhana untuk dilakukan manusia.

Meskipun kita memiliki keuntungan memiliki

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

dua kaki di tanah

dan penggunaan tangan kita yang sangat serba bisa.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Hal ini menjadi sedikit lebih sulit

when I only have one foot on the ground

ketika saya hanya memiliki satu kaki di atas tanah

and when I don't use my hands.

dan tidak menggunakan tangan saya.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Perhatikan bagaimana tiang ini memiliki penanda reflektif di atas,

which means that it can be located in the space.

yang berarti bahwa itu dapat ditentukan di ruang.

(Audience) Oh!

(Tepuk tangan)

(Applause)

(Applause ends)

Anda dapat melihat bahwa quad ini membuat penyesuaian halus

You can notice that this quad is making fine adjustments

untuk menjaga tiang seimbang.

to keep the pole balanced.

Bagaimana kita melakukan desain algoritma untuk melakukan hal ini?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Kami menambahkan model matematis kutub

to that of the quad.

dengan quad.

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

Setelah kita memiliki model sistem gabungan quad-tiang,

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

kita dapat menggunakan teori kontrol untuk membuat algoritma untuk mengendalikannya.

Here, you see that it's stable,

Anda bisa melihat bahwa itu stabil,

and even if I give it little nudges,

dan bahkan jika saya memberikan sedikit dorongan,

it goes back --

ia kembali ke posisi seimbang.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Kami juga dapat menambah model untuk menyertakan

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

dimana kita inginkan quad berada dalam ruang.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Menggunakan pointer ini, terbuat dari penanda reflektif,

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

Saya dapat menunjukkan ke mana saya ingin quad berada dalam ruang

a fixed distance away from me.

dalam jarak yang tetap dari Saya.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Kunci dari manuver akrobatik ini adalah algoritma,

designed with the help of mathematical models

yang dirancang dengan bantuan model-model matematik

and control theory.

dan kontrol teori.

Let's tell the quad to come back here

Mari perintahkan quad untuk datang kembali ke sini

and let the pole drop,

dan biarkan tiangnya jatuh,

and I will next demonstrate the importance

dan berikutnya saya akan menunjukkan betapa pentingnya

memahami model fisika

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

dan cara kerja dunia fisik.

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

Perhatikan bagaimana quad kehilangan ketinggian

ketika saya meletakkan segelas air di atasnya.

Unlike the balancing pole,

Tidak seperti menyeimbangkan tiang, saya tidak menyertakan

I did not include the mathematical model of the glass

model matematika gelas ke dalam sistem.

in the system.

Pada kenyataannya, sistem bahkan tidak tahu ada segelas air.

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

Seperti sebelumnya, aku bisa menggunakan pointer untuk memberitahu quad

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

where I want it to be in space.

mana aku ingin ia berada di ruang.

(Tepuk tangan)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Oke, Anda harus bertanya pada diri sendiri,

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

mengapa airnya tidak tumpah?

Two facts.

Dua fakta: yang pertama adalah gaya gravitasi

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

berpengaruh pada semua objek dengan cara yang sama.

The second is that the propellers

Yang kedua adalah semua baling-baling menunjuk

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

dalam arah yang sama dengan gelas, yaitu ke atas.

You put these two things together,

Dengan kedua hal ini, hasil akhirnya

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

adalah bahwa semua gaya samping pada gelas adalah kecil

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

dan lebih banyak didominasi oleh efek aerodinamis,

which at these speeds are negligible.

dimana dapat diabaikan pada kecepatan ini.

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

Dan itulah mengapa Anda tidak perlu model gelas.

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

Itu tidak akan tumpah, apapun yang dilakukan quad.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Tepuk tangan)

(Applause ends)

The lesson here

Pelajaran di sini adalah bahwa beberapa tugas kinerja tinggi

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

lebih mudah daripada yang lain,

and that understanding the physics of the problem

dan bahwa pemahaman fisika dari masalah

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

memberitahu Anda mana mudah dan mana sulit.

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

Dalam contoh ini, membawa segelas air sangat mudah.

Balancing a pole is hard.

Menyeimbangkan tiang sulit.

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

Kita semua telah mendengar cerita tentang atlet

yang melakukan prestasi sementara secara fisik terluka.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Dapatkah mesin berkinerja

dengan kerusakan fisik yang ekstrim?

Conventional wisdom says

Kebijaksanaan konvensional menyatakan bahwa Anda perlu

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

setidaknya empat baling-baling motor untuk terbang,

because there are four degrees of freedom to control:

karena ada empat derajat kebebasan yang perlu dikontrol:

roll, pitch, yaw and acceleration.

Roll, pitch, yaw dan percepatan.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Hexacopters dan octocopters, dengan baling-baling enam sampai delapan,

can provide redundancy,

dapat menyediakan redundansi,

but quadrocopters are much more popular

Tapi quadrocopters jauh lebih populer

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

karena mereka memiliki

jumlah baling-baling motor paling minim: empat.

Or do they?

Benarkah?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Jika kita menganalisis model matematis mesin ini

with only two working propellers,

dengan hanya 2 baling-baling yang bekerja,

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

kita menemukan cara yang tidak biasa untuk terbang.

We relinquish control of yaw,

Kita melepaskan kendali yaw,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

Tapi roll, pitch dan percepatan masih dapat dikontrol

with algorithms that exploit this new configuration.

dengan algoritma yang mengeksploitasi konfigurasi baru ini.

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

Model-model matematik memberitahu kami persis kapan

dan mengapa ini dapat dilakukan.

In this instance, this knowledge allows us to design

Dalam contoh ini, pengetahuan ini memungkinkan kita untuk desain

novel machine architectures

arsitektur mesin baru

atau untuk mendesain algoritma cerdas yang dapat menangani kerusakan,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

sama seperti yang dilakukan atlet manusia,

instead of building machines with redundancy.

alih-alih membangun mesin dengan redundansi.

We can't help but hold our breath

Kita pasti menahan napas ketika menonton

when we watch a diver somersaulting into the water,

seorang penyelam jungkir balik menyelam ke air,

or when a vaulter is twisting in the air,

atau ketika atlit lompat tinggi berputar di udara,

dan tanah bergerak mendekat dengan cepat.

the ground fast approaching.

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

Apakah penyelam akan menyelam dengan sedikit cipratan air?

Will the vaulter stick the landing?

Akan atlit lompat tinggi berhasil melompat?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Misalkan kita ingin quad ini

untuk melakukan jungkir balik tiga kali dan berakhir

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

di tempat yang persis sama.

This maneuver is going to happen so quickly

Manuver ini akan terjadi begitu cepat

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

sehingga kita tidak dapat menggunakan umpan balik posisi untuk memperbaiki gerak selama eksekusi.

There simply isn't enough time.

Waktunya tidak cukup.

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

Sebaliknya, apa yang quad dapat lakukan adalah melakukan manuver secara buta,

observe how it finishes the maneuver,

mengamati bagaimana hasilnya setelah melakukan manuver,

and then use that information to modify its behavior

dan kemudian menggunakan informasi tersebut untuk memodifikasi perilakunya

so that the next flip is better.

sehingga jungkir balik berikutnya menjadi lebih baik.

Similar to the diver and the vaulter,

Mirip dengan penyelam dan atlit lompat tinggi,

it is only through repeated practice

hanya melalui latihan yang diulang-ulang

that the maneuver can be learned and executed

manuver dapat dipelajari dan dieksekusi

to the highest standard.

dengan standar tertinggi.

(Laughter)

(Applause)

(Tepuk tangan)

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

Memukul bola yang bergerak adalah keterampilan yang diperlukan dalam banyak olahraga.

Bagaimana kita membuat sebuah mesin melakukan sesuatu

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

yang dapat dilakukan dengan mudah oleh seorang atlet?

(Laughter)

(Tepuk tangan)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Quad ini memiliki raket yang diikat di kepalanya

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

dengan sweet spot kira-kira ukuran sebuah apel, jadi tidak terlalu besar.

Perhitungan berikut dibuat setiap 20 milidetik,

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

atau 50 kali per detik.

We first figure out where the ball is going.

Pertama kami menghitung arah bola.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Kemudian kami menghitung bagaimana quad harus memukul bola

sehingga ia akan terbang dari asal lemparan.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Ketiga, lintasan direncanakan yang membawa quad

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

dari kondisi saat itu ke titik tubrukan dengan bola.

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

Keempat, kami hanya menjalankan strategi selama 20 milidetik.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

20 milidetik kemudian, seluruh proses diulang

until the quad strikes the ball.

sampai quad memukul bola.

(Applause)

(Tepuk tangan)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Mesin tidak hanya dapat melakukan manuver dinamis sendiri,

they can do it collectively.

mereka dapat melakukannya secara kolektif.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Ketiga quad ini membawa net.

(Applause)

(Tepuk tangan)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Mereka melakukan manuver yang ekstrim

secara kolektif

to launch the ball back to me.

untuk memantulkan bola kembali ke Saya.

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

Perhatikan, pada posisi ekstensi maksimum, posisi quad ini vertikal.

(Applause)

(Tepuk tangan)

In fact, when fully extended,

Bahkan ketika sepenuhnya dibentangkan

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

ini kira-kira lima kali lebih besar daripada apa yang dirasakan bungee jumper

at the end of their launch.

pada akhir peluncuran mereka.

The algorithms to do this are very similar

Algoritma untuk melakukan hal ini sangat mirip

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

dengan yang digunakan oleh quad tunggal untuk memukul bola kembali ke saya.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Model matematika digunakan untuk terus-menerus merencanakan kembali

a cooperative strategy 50 times per second.

strategi kerjasama 50 kali per detik.

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

Segala sesuatu yang telah kita lihat sejauh ini

adalah mengenai mesin dan kemampuan mereka.

What happens when we couple this machine athleticism

Apa yang terjadi ketika kita pasangkan atletisme mesin ini

with that of a human being?

dengan atletisme manusia?

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

Apa yang saya miliki di depan saya adalah sensor gerakan komersial

mainly used in gaming.

yang biasa digunakan dalam game.

It can recognize what my various body parts

Itu mengenali apa yang dilakukan oleh bagian tubuh saya

are doing in real time.

dalam real time.

Similar to the pointer that I used earlier,

Mirip dengan pointer yang saya gunakan sebelumnya,

we can use this as inputs to the system.

kita dapat menggunakan ini sebagai masukan ke sistem.

We now have a natural way of interacting

Kini kita memiliki cara yang alami untuk berinteraksi

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

dengan atletisme mentah dari quad ini menggunakan gerak tubuh saya.

(Applause)

(Tepuk tangan)

Interaksi tidak harus berupa virtual. Hal ini dapat berupa fisik.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Contohnya quad ini.

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

Ia mencoba untuk tetap di titik tertentu dalam ruang.

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

Jika saya mencoba untuk memindahkannya, ia akan melawan saya,

and moves back to where it wants to be.

dan bergerak kembali.

We can change this behavior, however.

Kita dapat mengubah perilaku ini.

We can use mathematical models

Kita dapat menggunakan model-model matematik

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

untuk memperkirakan kekuatan yang saya terapkan terhadap quad.

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

Setelah kita mengetahui kekuatan ini, kita juga dapat mengubah hukum fisika,

as far as the quad is concerned, of course.

sejauh yang diperlukan oleh quad, tentu saja.

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

Di sini quad berperilaku seolah-olah

dalam cairan kental.

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

Sekarang kita memiliki cara yang intim

untuk berinteraksi dengan mesin.

I will use this new capability to position

Saya akan menggunakan kemampuan baru untuk memposisikan

this camera-carrying quad to the appropriate location

quad yang membawa kamera ini ke lokasi yang sesuai

for filming the remainder of this demonstration.

untuk merekam sisa demonstrasi ini.

So we can physically interact with these quads

Jadi kita dapat berinteraksi secara fisik dengan quad ini

and we can change the laws of physics.

dan dapat mengubah hukum fisika.

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

Mari kita bersenang-senang dengan hal ini.

For what you will see next,

Yang akan Anda lihat selanjutnya, quad ini

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

pada awalnya bersikap seolah-olah mereka berada di Pluto.

As time goes on, gravity will be increased

Seiring waktu, gravitasi akan meningkat

until we're all back on planet Earth,

sampai kita semua kembali di planet Bumi,

but I assure you we won't get there.

tapi saya bisa memastikan kami tidak akan sampai ke sana.

Okay, here goes.

Oke, kita mulai.

(Laughter)

(Tertawa)

(Laughter)

(Tertawa)

(Applause)

(Tepuk tangan)

Whew!

Wah!

Tentu Anda semua berpikir,

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

orang-orang ini terlalu banyak bersenang-senang,

and you're probably also asking yourself,

dan Anda mungkin juga bertanya pada diri sendiri,

why exactly are they building machine athletes?

mengapa mereka membangun mesin atlet?

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Beberapa dugaan adalah peran bermain di dunia binatang

adalah untuk mengasah keterampilan dan mengembangkan kemampuan.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Orang lain berpikir bahwa bermain lebih memiliki peran sosial,

that it's used to bind the group.

itu digunakan untuk mengikat kelompok.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

Demikian pula, kami menggunakan analogi olahraga dan atletis

to create new algorithms for machines

untuk membuat algoritma baru untuk mesin

to push them to their limits.

untuk mendorong mereka ke batas-batas mereka.

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

Apakah dampak dari kecepatan mesin terhadap hidup kita?

Like all our past creations and innovations,

Seperti semua kreasi dan inovasi kita di masa lalu,

they may be used to improve the human condition

mereka dapat digunakan untuk meningkatkan kondisi manusia

or they may be misused and abused.

atau mereka mungkin disalahgunakan dan dimanfaatkan berlebihan.

This is not a technical choice we are faced with;

Kita tidak menghadapi pilihan teknis,

it's a social one.

ini adalah pilihan sosial.

Let's make the right choice,

Mari membuat pilihan yang tepat,

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

pilihan yang menghasilkan yang terbaik di masa depan mesin,

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

seperti atletisme dalam olahraga

memberikan yang terbaik dalam diri kita.

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

Izinkan saya memperkenalkan Anda ke penyihir di balik tirai hijau.

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

Mereka anggota tim peneliti terkini Flying Machine Arena.

(Applause)

(Tepuk tangan)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller dan Robin Ritz.

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

Perhatikan mereka. Mereka ditakdirkan untuk hal-hal besar.

Terima kasih.

Thank you.

(Applause)

(Tepuk tangan)