The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

מתרגם: Yubal Masalker מבקר: Ido Dekkers

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

אז מה זה אומר שמכונה היא אתלטית?

We will demonstrate the concept of machine athleticism

נציג כאן את התפיסה לגבי אתלטיות של מכונה

and the research to achieve it

ואת עבודת המחקר כדי להשיגה

with the help of these flying machines called quadrocopters,

בעזרת המכונות המעופפות הללו הנקראות מסוקי-קואד,

or quads, for short.

או בקיצור, קואד.

Quads have been around for a long time.

המסוקים נמצאים איתנו כבר זמן רב.

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

הסיבה שהם כה פופולרים בימינו היא היותן פשוטים מבחינה מיכנית.

By controlling the speeds of these four propellers,

באמצעות שליטה על מהירות הסיבוב ארבעת הרוטורים הללו,

these machines can roll, pitch, yaw,

הכלים יכולים להתגלגל, להיטות ולעלרד,

and accelerate along their common orientation.

לשנות כיוון ולהאיץ בכיוון אחד משותף לכולם.

On board are also a battery, a computer,

הם נושאים עליהם סוללה, מחשב,

various sensors and wireless radios.

חיישנים שונים ורדיו אלחוטי.

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

המסוקים מאוד קלי תנועה, אבל קלות זו גובה מחיר.

They are inherently unstable,

הם לא יציבים ביסודם

and they need some form of automatic feedback control

והם זקוקים לאיזה שהוא משוב עם בקרה אוטומטית

in order to be able to fly.

כדי להיות מסוגלים לטוס.

So, how did it just do that?

אז כיצד עושים זאת?

Cameras on the ceiling and a laptop

מצלמות בתקרה ומחשב נייד

serve as an indoor global positioning system.

משמשים כמערכת מיקום גלובלית במתחם סגור.

It's used to locate objects in the space

היא משמשת לאיתור עצמים במרחב

that have these reflective markers on them.

שנושאים עליהם סמנים מחזירים אלה.

This data is then sent to another laptop

נתונים הללו משוגרים למחשב נייד אחר

that is running estimation and control algorithms,

שמריץ אלגוריתמים של אומדן ובקרה,

which in turn sends commands to the quad,

שבתורו שולח פקודות לכלי-הטיס,

which is also running estimation and control algorithms.

שאף הוא מריץ אלגוריתמי אומדן ובקרה.

The bulk of our research is algorithms.

הנתח העיקרי של המחקר שלנו הוא אלגוריתמים.

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

הם הקסם שמעורר לחיים את הכלים הללו.

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

אז כיצד בונים את האלגוריתמים שיוצרים את האתלט המכני?

We use something broadly called model-based design.

אנו משתמשים במה שנקרא בגדול תכנון מבוסס-מודלים.

We first capture the physics

תחילה אנו מנתחים את הפיזיקה

with a mathematical model of how the machines behave.

בעזרת מודל מתמטי של איך המכונה מתנהגת.

We then use a branch of mathematics called control theory

לאחר-מכן אנו משתמשים בענף מתמטי שנקרא תאוריית בקרה

to analyze these models

כדי לנתח מודלים אלה

and also to synthesize algorithms for controlling them.

וגם כדי למזג אלגוריתמים בשביל לשלוט בהם.

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

לדוגמא, כך אנו גורמים לכלי לרחף.

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

תחילה הכרנו את הכוחות והתנועות בעזרת מערכת משוואות דיפרנציאליות.

We then manipulate these equations with the help of control theory

לאחר-מכן שינינו משוואות אלו בעזרת תאוריית בקרה

to create algorithms that stabilize the quad.

כדי ליצור אלגוריתמים אשר מייצבים את הכלי.

Let me demonstrate the strength of this approach.

אציג עכשיו את יתרונות הגישה הזו.

Suppose that we want this quad to not only hover

נניח שאנו רוצים שהכלי הזה לא רק ירחף

but to also balance this pole.

אלא גם יחזיק מוט זה בשיווי-משקל.

With a little bit of practice,

עם קצת תרגול,

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

זה די קל לאדם לבצע זאת,

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

גם בגין היתרון של שתי רגלינו על הקרקע

and the use of our very versatile hands.

ובגין השימוש בידינו בעלות היכולות הרב-גוניות.

It becomes a little bit more difficult

זה הופך לקצת יותר קשה

when I only have one foot on the ground

כאשר יש לי רק רגל אחת על הקרקע

and when I don't use my hands.

ואיני משתמש בידיי.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

שימו לב שלמוט זה מוצמד סמן למעלה,

which means that it can be located in the space.

שזה אומר שניתן לאתר את מיקומו במרחב.

(Audience) Oh!

(קהל) אוה!

(Applause)

(מחיאות כפיים)

(Applause ends)

(מחיאות כפיים מסתיימות)

You can notice that this quad is making fine adjustments

ניתן לראות שכלי זה עושה תיקונים קלים

to keep the pole balanced.

כדי לשמור על איזון המוט.

How did we design the algorithms to do this?

כיצד בנינו את האלגוריתמים העושים זאת?

We added the mathematical model of the pole

הוספנו את המודל המתמטי של המוט

to that of the quad.

לזה של המסוק.

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

ברגע שיש את המודל המשולב של מערכת מסוק-מוט,

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

ניתן להשתמש בתיאוריית בקרה כדי ליצור אלגוריתמים שישלטו בה.

Here, you see that it's stable,

הנה, ניתן לראות שהוא יציב,

and even if I give it little nudges,

ולמרות אני נותן לו מכות קלות,

it goes back --

הוא חוזר

to the nice, balanced position.

למצב של שיווי-משקל.

We can also augment the model

אנו גם יכולים להרחיב את המודל

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

שיכלול את מיקומו הרצוי לנו של הכלי במרחב.

Using this pointer, made out of reflective markers,

בעזרת מצביע זה שעשוי מסמנים מחזירים,

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

אפשר להצביע על המיקום הרצוי לנו של הכלי במרחב,

a fixed distance away from me.

במרחק הקבוע מראש ממני.

(Laughter)

(צחוק)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

המפתח לתמרונים האקרובטיים הללו הם אלגוריתמים,

designed with the help of mathematical models

שנבנו בעזרת מודלים מתמטיים

and control theory.

ותאוריית בקרה.

Let's tell the quad to come back here

כעת נאמר למסוק לחזור לכאן

and let the pole drop,

ונתן למוט ליפול.

and I will next demonstrate the importance

אתאר כעת את החשיבות

of understanding physical models

שבהבנת המודלים הפיזיקליים

and the workings of the physical world.

ושל דרך-הפעולה של העולם הפיזי.

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

שימו לב איך הכלי איבד גובה כשהנחתי עליו כוס מים.

Unlike the balancing pole,

שלא כמו המוט המאוזן,

I did not include the mathematical model of the glass

לא הכללתי את המודל המתמטי של הכוס.

in the system.

במערכת

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

למעשה, המערכת אפילו אינה יודעת שכוס המים נמצאת עליה.

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

כמו מקודם, יכולתי להשתמש במצביע כדי לומר למסוק

where I want it to be in space.

היכן אני רוצה שהוא ישהה במרחב.

(Applause)

(מחיאות כפיים)

(Applause ends)

(מחיאות כפיים מסתיימות)

Okay, you should be asking yourself,

אתם צריכים לשאול את עצמכם,

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

כיצד המים לא נשפכים מהכוס?

Two facts.

שתי עובדות:

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

הראשונה היא שכוח-המשיכה פועל על כל העצמים באותו אופן.

The second is that the propellers

השנייה הוא שהרוטורים כולם מצביעים

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

באותו כיוון של הכוס, מכוונים מעלה.

You put these two things together,

כאשר מחברים את שני הדברים, התוצאה הסופית היא

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

שכל הכוחות המשניים על הכוס הם קטנים

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

ומושפעים בעיקר מאפקטים אווירודינמיים,

which at these speeds are negligible.

שבמהירויות אלו הם זניחים.

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

וזו הסיבה מדוע אין צורך לבנות מודל לכוס.

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

באופן טבעי המים לא נשפכים ולא משנה מה המסוק עושה.

(Audience) Oh!

(קהל) אוה!

(Applause)

(מחיאות כפיים)

(Applause ends)

(מחיאות כפיים מסתיימות)

The lesson here

הלקח כאן

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

הוא שחלק מהמשימות הדורשות ביצועים גבוהים הן קלות יותר מאחרות,

and that understanding the physics of the problem

ושההבנה הפיזיקלית של הבעיה

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

אומרת לנו אלו בעיות הן קלות ואלו קשות.

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

במקרה זה, לשאת כוס מים זה קל.

Balancing a pole is hard.

לשמור על שיווי-משקל של מוט זה קשה.

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

כולנו שמענו סיפורים על ספורטאים שמגיעים להישגים גבוהים בעודם פצועים.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

האם גם מכונה מסוגלת לביצועים כאשר יש לה נזק חמור?

Conventional wisdom says

הדעה המקובלת היא

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

שצריך לפחות 4 זוגות של רוטורים כדי לטוס,

because there are four degrees of freedom to control:

מכיוון שיש 4 דרגות חופש שצריך לשלוט בהן:

roll, pitch, yaw and acceleration.

גלגול, עלרוד, סיבסוב ותאוצה.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

למסוקים בעלי 6 ו-8 רוטורים,

can provide redundancy,

יש יתירות,

but quadrocopters are much more popular

אבל מסוקי-רביעייה הרבה יותר נפוצים

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

כי יש להם את המספר המינימלי של רוטורים: 4

Or do they?

האמנם?

(Audience) Oh!

(קהל) אןה!

(Laughter)

(צחוק)

If we analyze the mathematical model of this machine

כאשר מנתחים את המודל המתמטי של מכונה זו

with only two working propellers,

עם שני רוטורים פועלים בלבד,

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

מגלים שיש דרך יוצאת-דופן להטיסה.

We relinquish control of yaw,

מוותרים על השליטה בסיבסוב,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

אבל עדיין ניתן לשלוט בגלגול, עלרוד ותאוצה

with algorithms that exploit this new configuration.

באמצעות אלגוריתמים המנצלים תצורה חדשה זו.

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

מודלים מתמטיים אומרים לנו בדיוק מתי וכיצד זה אפשרי.

In this instance, this knowledge allows us to design

במקרה זה, ידע כזה מאפשר לנו לתכנן

novel machine architectures

כלי-טיס בעלי צורות חדשניות

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

או לבנות אלגוריתמים חכמים המתמודדים ביעילות עם נזק,

just like human athletes do,

ממש כמו ספורטאים אנושיים,

instead of building machines with redundancy.

במקום לבנות כלי-טיס עם מערכות כפולות לגיבוי.

We can't help but hold our breath

אין אנו יכולים שלא לעצור את נשימותינו

when we watch a diver somersaulting into the water,

כאשר אנו צופים בקופץ לבריכה עושה סלטות באויר,

or when a vaulter is twisting in the air,

או כאשר קופץ במוט מסתחרר באויר,

the ground fast approaching.

בהתקרבם במהירות לקרקע.

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

האם הקופץ לבריכה יימנע מכניסה חזיתית למים?

Will the vaulter stick the landing?

האם הקופץ במוט ינחת בשלום?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

נניח שברצוננו שהכלי הזה יבצע גילגול משולש

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

ויסיים באותה נקודה שבה התחיל.

This maneuver is going to happen so quickly

תימרון זה יתבצע כה מהר

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

שאין אפשרות להשתמש במשוב לגבי מיקום כדי לבצע תיקוני תנועה במהלך הטיסה.

There simply isn't enough time.

פשוט אין מספיק זמן.

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

במקום זה, הכלי יכול לבצע את התימרון על עיוור,

observe how it finishes the maneuver,

להבין כיצד התימרון מסתיים,

and then use that information to modify its behavior

ואז להשתמש במידע כדי לתקן את התנהגותו

so that the next flip is better.

כך שהגילגול הבא ישתפר.

Similar to the diver and the vaulter,

בדומה לקופץ לבריכה או הקופץ במוט,

it is only through repeated practice

רק באמצעות תירגולים חוזרים

that the maneuver can be learned and executed

ניתן ללמוד את התימרון

to the highest standard.

ולבצעו ברמה הגבוהה ביותר.

(Laughter)

(צחוק)

(Applause)

(מחיאות כפיים)

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

היכולת לחבוט בכדור שנע חיונית בענפי ספורט רבים.

How do we make a machine do

כיצד ניתן לגרום למכונה

what an athlete does seemingly without effort?

לעשות את מה שהספורטאים עושים לכאורה ללא מאמץ?

(Laughter)

(צחוק)

(Applause)

(מחיאות כפיים)

(Applause ends)

(מחיאות כפיים מסתיימות)

This quad has a racket strapped onto its head

למסוק זה יש מחבט המוצמד לראשו,

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

בעל משטח החזרה בערך בגודל תפוח, שזה לא גדול במיוחד.

The following calculations are made every 20 milliseconds,

החישובים הבאים נערכים כל 20 מילישניות,

or 50 times per second.

או 50 פעם בשניה.

We first figure out where the ball is going.

תחילה אנו מחשבים לאן הכדור נע.

We then next calculate how the quad should hit the ball

לאחר-מכן מחשבים כיצד המסוק צריך לפגוע בכדור

so that it flies to where it was thrown from.

כך שיעוף בחזרה לאותו מקום שממנו יצא.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

שלישית, מחושב המסלול שמוביל את המסוק מהמיקום

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

הנוכחי שלו לנקודת המפגש עם הכדור.

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

רביעית, אנו מוציאים לפועל רק 20 מילישניות מתוך אותו חישוב.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

בעוד 20 מילישניות, חוזרים על כל התהליך

until the quad strikes the ball.

עד שהמסוק מכה את הכדור בחזרה.

(Applause)

(מחיאות כפיים)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

הכלים לא רק מבצעים תימרונים דינמיים באופן עצמאי,

they can do it collectively.

הם אף יכולים לעשות זאת בצוותא.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

שלושת המסוקים הללו נושאים בצוותא רשת.

(Applause)

(מחיאות כפיים)

(Applause ends)

(מחיאות כפיים מסתיימות)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

הם מבצעים בצוותא תימרון חד באופן קיצוני

to launch the ball back to me.

כדי לשגר את הכדור בחזרה אליי.

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

שימו לב שבמתיחה המכסימלית, המסוקים במצב אנכי.

(Applause)

(מחיאות כפיים)

In fact, when fully extended,

בעצם, במתיחה המכסימלית,

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

זה בערך פי-5 יותר חזק ממה שחש קופץ באנג'י

at the end of their launch.

בסוף קפיצתו.

The algorithms to do this are very similar

האלגוריתמים שמבצעים זאת

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

דומים מאוד לאלו ששימשו להכות בכדור בחזרה אליי.

Mathematical models are used to continuously re-plan

מודלים מתמטיים משמשים לתיכנון

a cooperative strategy 50 times per second.

מחזורי ומתמשך של אסטרטגייה משותפת 50 פעם בשניה.

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

כל מה שראינו עד עתה היה קשור במכונות וביכולותיהן.

What happens when we couple this machine athleticism

מה קורה כאשר מזווגים את היכולת הספורטיבית של מכונה זו

with that of a human being?

עם זו של האדם?

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

מה שמונח לפניי זה חיישן מסחרי של תנועות אנושיות

mainly used in gaming.

אשר משמש בעיקר במשחקים.

It can recognize what my various body parts

הוא מסוגל לזהות בזמן-אמת מה האיברים השונים של גופי

are doing in real time.

עושים בזמן אמת.

Similar to the pointer that I used earlier,

בדומה למצביע בו השתמשתי מקודם,

we can use this as inputs to the system.

ניתן להשתמש בזה כקלט של המערכת.

We now have a natural way of interacting

כעת יש בידינו דרך טבעית לתקשר

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

עם היכולת האתלטית הגולמית של המסוקים הללו לבין פעולות הגוף שלי.

(Applause)

(מחיאות כפיים)

Interaction doesn't have to be virtual.

המגע אינו חייב להיות וירטואלי.

It can be physical.

הוא יכול להיות פיזי.

Take this quad, for example.

ניקח לדוגמא מסוק זה.

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

הוא מנסה להישאר בנקודה קבועה בחלל.

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

אם אני מנסה להסיטו ממקומו, הוא מתנגד

and moves back to where it wants to be.

ונע בחזרה להיכן שהוא רוצה להיות.

We can change this behavior, however.

אבל ניתן לשנות התנהגות זו.

We can use mathematical models

אנו יכולים להשתמש במודלים מתמטיים

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

כדי לאמוד את הכוח שאני מפעיל על המסוק.

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

ברגע שיודעים את הכוח, ניתן גם לשנות את

as far as the quad is concerned, of course.

חוקי הפיזיקה, ככל שזה נוגע למסוק כמובן.

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

כאן המסוק מתנהג כאילו הוא נמצא בנוזל צמיג.

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

כעת יש לנו יכולת ליצירת מגע הדוק עם המכונה.

I will use this new capability to position

אשתמש ביכולת חדשה זו כדי למקם

this camera-carrying quad to the appropriate location

את המסוק הזה שנושא מצלמה במיקום מתאים

for filming the remainder of this demonstration.

כדי לצלם את מה שנותר מהתצוגה.

So we can physically interact with these quads

אנו מסוגלים לבוא במגע פיזי עם המסוקים

and we can change the laws of physics.

ואנו מסוגלים לשנות את חוקי הפיזיקה.

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

הבה נהנה מזה קצת.

For what you will see next,

מה שתראו עכשיו, מסוקים הללו

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

יתנהגו תחילה כאילו הם נמצאים על פלוטו.

As time goes on, gravity will be increased

עם חלוף הזמן, כוח-המשיכה יוגבר

until we're all back on planet Earth,

עד שהם יהיו בחזרה על כדור-הארץ,

but I assure you we won't get there.

אבל אני מבטיחכם שלא נגיע לשם.

Okay, here goes.

טוב, הנה זה מתחיל.

(Laughter)

(צחוק)

(Laughter)

(צחוק)

(Applause)

(מחיאות כפיים)

Whew!

יו!

You're all thinking now,

כולכם ודאי חושבים עכשיו,

these guys are having way too much fun,

אנשים אלה נהנים יותר מדי,

and you're probably also asking yourself,

וקרוב לודאי אתם שואלים את עצמכם,

why exactly are they building machine athletes?

מדוע הם בכלל בונים אתלטים מכניים?

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

יש האומרים שתפקיד המשחק בממלכת החיות

is to hone skills and develop capabilities.

הוא להשחיז כישורים ולפתח יכולות.

Others think that it has more of a social role,

אחרים סבורים שיש לו יותר תפקיד חברתי,

that it's used to bind the group.

שהוא משמש לגיבוש הקבוצה.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

באופן דומה, אנו משתמשים באנלוגיה של ספורט ואתלטיות

to create new algorithms for machines

כדי ליצור אלגוריתמים חדשים למכונות

to push them to their limits.

ולהביאן לקצה גבול יכולתן.

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

איזו השפעה תהיה למהירות של המכונות על דרך חיינו?

Like all our past creations and innovations,

כמו כל יצירותינו והמצאותינו בעבר,

they may be used to improve the human condition

ניתן להשתמש בהן לשיפור התנאים האנושיים

or they may be misused and abused.

או ניתן להשתמש בהן לרעה.

This is not a technical choice we are faced with;

אין זו בחירה טכנולוגית שאנו עומדים בפניה;

it's a social one.

זוהי בחירה חברתית-מוסרית.

Let's make the right choice,

הבה נעשה את הבחירה הנכונה,

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

הבחירה שמוציאה את המיטב מעתידן של המכונות הללו,

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

בדיוק כמו שאתלטיות בספורט יכולה להוציא את המיטב מתוכנו.

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

אציג בפניכם את אשפי המחשב שמאחורי המסך הירוק.

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

הם החברים הנוכחיים בקבוצת המחקר "זירת המכונות המעופפות".

(Applause)

(מחיאות כפיים)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

פדריקו איוגוגליאריו, דאריו ברסיאניני, מרכוס הן,

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

סרג'יי לופאשין, מארק מולר ורובין ריטס.

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

הסתכלו עליהם. הם נועדו לגדולות.

Thank you.

תודה לכם.

(Applause)

(מחיאות כפיים)