The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Traduttore: Rachele Salvatelli Revisore: Tania Piorino

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

Cosa significa per una macchina, essere agile?

Vi spiegheremo l'idea di agilità per una macchina

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

e la ricerca che l'ha resa possibile,

with the help of these flying machines called quadrocopters,

con l'aiuto di queste macchine volanti chiamate Quadrocopters

or quads, for short.

o, in breve, Quad.

Quads have been around for a long time.

I Quad esistono da diverso tempo,

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

ma il motivo che li ha resi così famosi ora

è che sono meccanicamente molto semplici.

By controlling the speeds of these four propellers,

Controllando la velocità di queste quattro eliche,

these machines can roll, pitch, yaw,

queste macchine possono ruotare lungo gli assi delle tre dimensioni dello spazio e accelerare.

and accelerate along their common orientation.

Sopra sono integrati una batteria, un computer,

On board are also a battery, a computer,

various sensors and wireless radios.

vari sensori e trasmettitori radio wireless.

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

I Quad sono estremamente agili, ma questa agilità ha un prezzo.

They are inherently unstable,

Sono intrinsecamente instabili

and they need some form of automatic feedback control

e hanno bisogno di un controllo a feedback per essere in grado di volare.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Come ha fatto?

Cameras on the ceiling and a laptop

Ci sono delle fotocamere sul soffitto e un computer

serve as an indoor global positioning system.

che assieme funzionano da GPS.

In questo modo si riescono a localizzare oggetti nello spazio

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

che hanno dei punti riflettenti.

This data is then sent to another laptop

Questi dati sono inviati ad un altro computer

that is running estimation and control algorithms,

che utilizza degli algoritmi di controllo e di stima

which in turn sends commands to the quad,

e uno alla volta restituiscono dei commandi al Quad

which is also running estimation and control algorithms.

che a sua volta elabora queste stime.

The bulk of our research is algorithms.

Il grosso del lavoro nella nostra ricerca sta negli algoritmi.

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

È un po' la magia che dà vita a questo tipo di macchine.

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

Ma come può la progettazione di un algoritmo rendere queste macchine così agili?

We use something broadly called model-based design.

Usiamo una progettazione comunemente chiamata 'model based design'.

We first capture the physics

Con un modello matematico delineiamo il comportamento fisico delle macchine.

with a mathematical model of how the machines behave.

We then use a branch of mathematics called control theory

Poi usiamo un ramo della matematica chiamato 'teoria del controllo' per analizzare questi modelli

to analyze these models

and also to synthesize algorithms for controlling them.

e sintetizzare in algoritmi in grado di controllarle.

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

Per esempio, è così che riusciamo a far rimanere fermi in volo i Quad.

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

Prima modelliamo la dinamica,

con un insieme di equazioni differenziali

We then manipulate these equations with the help of control theory

Poi le elaboriamo grazie alla teoria del controllo

per creare algoritmi che lo stabilizzino.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Vi dimostro la forza di questo approccio.

Suppose that we want this quad to not only hover

Immaginiamo non solo di voler tenere fermo in volo il Quad

but to also balance this pole.

ma di fargli tenere in equilibrio quest'asta.

With a little bit of practice,

Con un po' di esercizio, è abbastanza semplice farlo per un essere umano

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

Inoltre noi abbiamo il vantaggio di avere due piedi per terra, e un uso molto versatile delle nostre mani.

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

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Diventa un po' più difficile quando ho solo un piede per terra e non uso le mani.

when I only have one foot on the ground

and when I don't use my hands.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

L'asta ha dei segni riflettenti sulla sommità,

which means that it can be located in the space.

il che la rende localizzabile nello spazio.

(Audience) Oh!

(Applausi)

(Applause)

(Applause ends)

Riuscite a vedere che il Quad sta effettuando una precisa regolazione per tenere l'asta in equilibrio.

You can notice that this quad is making fine adjustments

to keep the pole balanced.

Come siamo riusciti a progettare un algoritmo in grado di fare questo?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Abbiamo aggiunto il modello matematico dell'asta a quello del Quad.

to that of the quad.

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

Una volta creato il modello del sistema composto da Quad e asta assieme,

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

possiamo creare degli algoritmi in grado di controllarlo.

Here, you see that it's stable,

Vedete che è stabile

and even if I give it little nudges,

e anche dandogli dei colpetti ritorna in posizione d'equilibrio.

it goes back --

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Possiamo anche estendere il modello

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

in modo da poter decidere la posizione del Quad nello spazio.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Usando questo indicatore, fatto di marcatori riflettenti,

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

posso decidere la direzione nella quale voglio che vada il Quad ad una certa distanza da me.

a fixed distance away from me.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

La chiave per queste manovre acrobatiche sono gli algoritmi

designed with the help of mathematical models

sviluppati con l'aiuto del modelli matematici e della teoria del controllo.

and control theory.

Let's tell the quad to come back here

Riportiamo il Quad indietro e lasciamo cadere l'asta.

and let the pole drop,

and I will next demonstrate the importance

Ora vi dimostrerò l'importanza della comprensione del modello fisico e delle dinamiche del mondo reale.

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

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

Vedete che il Quad si è abbassato quando ci ho messo sopra il bicchiere d'acqua.

Unlike the balancing pole,

In questo caso, a differenza del caso dell'asta,

I did not include the mathematical model of the glass

nel modello matematico non ho incluso il bicchiere nel sistema.

in the system.

Infatti il sistema non sa che il bicchiere d'acqua si trova lì.

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

Come prima, uso il puntatore per indicare al Quad dove voglio che vada.

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

where I want it to be in space.

(Applause)

(Applausi)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Ok, vi dovreste stare chiedendo perché l'acqua non cada fuori dal bicchiere.

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

Two facts.

Ci sono due motivi:

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

il primo è che la gravità agisce su tutti gli oggetti allo stesso modo.

The second is that the propellers

Il secondo è che le eliche puntano nella stessa direzione del bicchiere, ossia verso l'alto.

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

You put these two things together,

Mettete insieme le due cose, e il risultato è che le forze laterali sul bicchiere sono molto piccole

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

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

e sono principalmente dominate da effetti areodinamici

which at these speeds are negligible.

che a queste velocità sono trascurabili.

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

E questo è il motivo per cui non è necessario inserire il bicchiere nel sistema.

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

Non ne esce una goccia qualunque cosa faccia il Quad.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Applausi)

(Applause ends)

The lesson here

Quello che c'è da capire è che alcune prestazioni elevate sono più facili di altre

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

e che capire la fisica che c'è dietro al problema ci dice quali sono facili e quali difficili.

and that understanding the physics of the problem

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

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

In questo caso, portare un bicchiere d'acqua è facile

Balancing a pole is hard.

e tenere in equilibrio un'asta è difficile.

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

Tutti abbiamo sentito storie di atleti che hanno compiuto grandi prodezze mentre erano infortunati.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

E una macchina può fare altrettanto, in caso di danni fisici?

Conventional wisdom says

La convinzione comune è che abbiamo bisogno di almeno quattro eliche a motore accoppiate assieme per volare

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

because there are four degrees of freedom to control:

e questo perché ci sono quattro gradi di liberta nel controllo

roll, pitch, yaw and acceleration.

ruotare nelle tre dimensioni e accelerare.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Gli Hexacopter e gli Octocopter hanno sei e otto eliche

can provide redundancy,

che sono più di quelle che servirebbero

but quadrocopters are much more popular

ma i Quadrocopter sono molto più popolari

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

proprio perché hanno il numero minimo di eliche a motore: quattro.

Or do they?

O no?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Se analizziamo il modello matematico di queste macchine

with only two working propellers,

con solo due eliche funzionanti,

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

scopriamo che utilizzano un modo non convenzionale di volare.

We relinquish control of yaw,

Abbiamo perso il controllo attorno all'asse verticale

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

ma lungo gli altri due assi e in accelerazione possono ancora essere controllati

with algorithms that exploit this new configuration.

con algoritmi che cercano di trarre vantaggio proprio da questa nuova configurazione.

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

I modelli matematici ci dicono esattamente

quando e perché questo è possibile

In this instance, this knowledge allows us to design

In questo caso, saperlo ci permette di creare un'architettura insolita per una macchina

novel machine architectures

o elaborare algoritmi intelligenti che gestiscono con eleganza il danno subito

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

proprio come fa un'atleta,

instead of building machines with redundancy.

invece di costruire robot con una dotazione eccessiva.

We can't help but hold our breath

Non possiamo fare a meno di trattenere il fiato quando vediamo

when we watch a diver somersaulting into the water,

un tuffo in acqua con salto mortale

or when a vaulter is twisting in the air,

o quando un ginnasta volteggia nell'aria

e si avvicina rapido a terra.

the ground fast approaching.

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

Il tuffatore ce la farà a fare un'entrata pulita in acqua?

Will the vaulter stick the landing?

E il ginnasta farà un atterraggio fermo?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Proviamo a far eseguire al Quad

un salto triplo, tornando nel punto esatto dove ha cominciato.

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

This maneuver is going to happen so quickly

La manovra avverrà in modo talmente veloce

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

che non si può fare feedback per correggerla durante l'esecuzione.

There simply isn't enough time.

Semplicemente non c'è abbastanza tempo per farlo.

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

Invece, quello che il Quad può fare è eseguire la manovra senza controllo esterno

observe how it finishes the maneuver,

e quando ha finito possiamo vedere com'è andata,

and then use that information to modify its behavior

e usare quest'informazione per migliorare il suo comportamento

so that the next flip is better.

in modo da migliorare i salti successivi.

Similar to the diver and the vaulter,

In modo molto simile al tuffatore e al ginnasta

it is only through repeated practice

è solo una questione di pratica

that the maneuver can be learned and executed

e la manovra può essere imparata ed eseguita

to the highest standard.

fino ad avere risultati migliori.

(Laughter)

(Applause)

(Applausi)

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

In molti sport è necessario saper colpire una palla in movimento.

Come possiamo far eseguire ad un robot

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

quello che un atleta riesce a fare apparentemente senza sforzo?

(Laughter)

(Applausi)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Il Quad ha una racchetta fissata sulla sommità

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

con il punto ottimale delle dimensioni all'incirca di una mela, quindi non molto grande.

Per effettuare la mossa che vediamo ora, l'elaborazione è fatta ogni 20 millisecondi

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

o 50 volte al secondo.

We first figure out where the ball is going.

Prima cerchiamo di capire dove sta andando la palla.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Poi calcoliamo come il Quad dovrebbe colpirla

facendolo volare nella direzione dove è stata tirata la palla.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Terzo, viene calcolata una traiettoria che porta il Quad

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

dalla sua posizione attuale al punto dell'impatto con la palla.

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

Quarto, abbiamo solo 20 millisecondi in cui è valida questa strategia.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Venti millisecondi dopo, l'intero processo viene ripetuto

until the quad strikes the ball.

fino a che il Quad batte la palla.

(Applause)

(Applausi)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Queste macchine non riescono ad eseguire manovre dinamiche soltanto da sole

they can do it collectively.

ma riescono a farlo anche assieme ad altre.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Questi tre Quad stanno sostenendo questa rete assieme

(Applause)

(Applausi)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Stanno eseguendo una manovra collettiva ed estremamente dinamica

per lanciarmi indietro la palla tutti assieme.

to launch the ball back to me.

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

Nella loro massima estensione, i Quad si mettono in posizione verticale.

(Applause)

(Applausi)

In fact, when fully extended,

Infatti quando la rete è completamente estesa,

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

è più o meno cinque volte quello che sente una persona che pratica bungee jumping alla fine del lancio.

at the end of their launch.

The algorithms to do this are very similar

Gli algoritmi in grado di fare queste cose sono molto simili

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

a quelli che il Quad usa quando mi rilancia la palla da solo.

Mathematical models are used to continuously re-plan

I modelli matematici riescono ad aggiornare la strategia

a cooperative strategy 50 times per second.

dei Quad che agiscono cooperativamente 50 volte al secondo.

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

Tutto quello che avete visto finora

è reso possibile dalle macchine e dalle loro abilità.

What happens when we couple this machine athleticism

Che succede quando associamo l'agilità di queste macchine

with that of a human being?

agli esseri umani?

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

Di fronte a me c'è un comune sensore di movimento

mainly used in gaming.

usato per riconoscere i gesti durante il videogioco.

It can recognize what my various body parts

Può riconoscere diverse parti del corpo in tempo reale.

are doing in real time.

Similar to the pointer that I used earlier,

Come per la bacchetta che ho usato prima,

we can use this as inputs to the system.

possiamo usare il sensore come input del sistema.

We now have a natural way of interacting

Così avremo un modo più naturale per far interagire

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

i Quad con i miei movimenti.

(Applause)

(Applausi)

L'interazione non deve essere per forza virtuale. Può essere fisica.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Prendete questo quad, per esempio.

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

Sta cercando di stare in un punto fisso nello spazio.

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

Se provo a spostarlo dalla sua posizione,

oppone resistenza e ritorna a stare dove voleva essere.

and moves back to where it wants to be.

We can change this behavior, however.

Ma noi siamo in grado di modificare questo comportamento.

We can use mathematical models

Possiamo usare dei modelli matematici per calcolare la forza che devo applicare al Quad.

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

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

Quando conosciamo questa forza, possiamo anche cambiare le leggi della fisica,

as far as the quad is concerned, of course.

per quanto riguarda il Quad, ovviamente.

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

Ecco, qui il quad si sta comportando come se fosse in un fluido viscoso.

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

Ora abbiamo un modo intimo di interagire con una macchina.

I will use this new capability to position

Userò questa nuova funzionalità per posizionare questo Quad che trasporta una videocamera,

this camera-carrying quad to the appropriate location

for filming the remainder of this demonstration.

nella posizione appropriata per le riprese del resto di questa dimostrazione.

So we can physically interact with these quads

Così siamo in grado di interagire fisicamente con questi quad e siamo in grado di cambiare le leggi della fisica.

and we can change the laws of physics.

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

Divertiamoci un po' con questo.

For what you will see next,

Per ciò che vedrete tra poco, questi quad inizialmente si comporteranno come se fossero su Plutone.

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

As time goes on, gravity will be increased

Con lo scorrere del tempo, la gravità verrà aumentata fino a quando non saremo tutti tornati sulla Terra.

until we're all back on planet Earth,

but I assure you we won't get there.

Ma vi assicuro che non arriveremo lì.

Okay, here goes.

Ok, iniziamo.

(Laughter)

(Risate)

(Laughter)

(Applause)

(Applausi)

Whew!

You're all thinking now,

Probabilmente adesso starete pensando che questi ragazzi si divertono davvero troppo

these guys are having way too much fun,

and you're probably also asking yourself,

e probabilmente vi state anche chiedendo, qual è il vero motivo per cui stanno costruendo macchine agili?

why exactly are they building machine athletes?

Alcuni ipotizzano che il ruolo del gioco nel regno animale sia quello di affinare le competenze e sviluppare le capacità.

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Altri pensano che abbia più un ruolo sociale, usato per creare coesione.

that it's used to bind the group.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

In modo analogo, noi sfruttiamo l'analogia fra sport e agilità, per creare nuovi algoritmi per le macchine, con l'intento di spingerle al limite.

to create new algorithms for machines

to push them to their limits.

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

Quale impatto avrà la velocità delle macchine sul nostro modo di vivere?

Like all our past creations and innovations,

Come tutte le nostre passate creazioni e innovazioni, potrebbero migliorare le condizioni di vita umane

they may be used to improve the human condition

or they may be misused and abused.

o potrebbero essere usate impropriamente ed abusate.

This is not a technical choice we are faced with;

Non ci troviamo di fronte a una scelta tecnica, ma sociale.

it's a social one.

Let's make the right choice,

Facciamo la scelta giusta, la scelta che tira fuori il meglio per il futuro delle macchine,

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

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

proprio come l'agilità nello sport può tirare fuori il meglio di noi.

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

Lasciate che vi presenti le menti dietro tutto questo.

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

Sono i ricercatori del Flying Machine Arena research team.

(Applause)

(Applausi)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini , Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller e Robin Ritz.

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

Seguiteli. Faranno grandi cose.

Thank you.

Grazie.

(Applause)

(Applausi)