The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

ラファエロ・ダンドリーア: クアッドコプターの驚くべき運動能力

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

翻訳: Yasushi Aoki 校正: Reiko Bovee

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

運動抜群の機械というのは どういうものでしょう？

これから機械の 運動能力の実演と

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

それに必要な研究を

with the help of these flying machines called quadrocopters,

クアッドコプターを使って

or quads, for short.

ご覧に入れます

Quads have been around for a long time.

所謂クアッドは 結構昔からあったのですが

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

最近流行りだした理由は

構造的にとても シンプルだからです

By controlling the speeds of these four propellers,

４つのプロペラの スピードを—

these machines can roll, pitch, yaw,

制御することによって ロール、ピッチ、ヨーの動作と

and accelerate along their common orientation.

プロペラの方向への 加速が出来ます

On board are also a battery, a computer,

またこれには電池 コンピュータ

various sensors and wireless radios.

様々なセンサと 無線がついています

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

クアッドはとても敏捷ですが

They are inherently unstable,

その代わり不安定で

and they need some form of automatic feedback control

ちゃんと飛ばすためには フィードバック制御が必要になります

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

今のを どうやって やったのかですが

Cameras on the ceiling and a laptop

天井のカメラと ノートPCが

serve as an indoor global positioning system.

この室内の測位システムの 役割をしていて

反射マーカーを付けた物の

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

位置を測定しています

This data is then sent to another laptop

推測と制御の アルゴリズムを実行する

that is running estimation and control algorithms,

別のPCにそのデータが送られ そこから—

which in turn sends commands to the quad,

クアッドに指令が送られます

which is also running estimation and control algorithms.

クアッド自体も推測と制御の アルゴリズムを実行しています

The bulk of our research is algorithms.

私達の研究の大きな部分を アルゴリズムが占めています

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

それが この機械に 命を吹き込む魔法なのです

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

では機械の運動選手のための アルゴリズムは

どう設計したら いいのでしょう？

We use something broadly called model-based design.

私達は広く「モデルベース設計」と 呼ばれる手法を使っています

We first capture the physics

まず機械の動き方を 数学的モデルを使い

with a mathematical model of how the machines behave.

物理的に把握します

We then use a branch of mathematics called control theory

それから制御理論という

一種の数学を使って そのモデルを分析し

to analyze these models

制御のための アルゴリズムを組み上げます

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

例えば どうすれば ホバリングさせられるのか？

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

まず力学的性質を

一連の微分方程式で 記述します

We then manipulate these equations with the help of control theory

それから制御理論を使って 方程式を操り

クアッドコプターを安定させる アルゴリズムを作ります

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

このアプローチがいかに強力か お目にかけましょう

Suppose that we want this quad to not only hover

クアッドコプターに ホバリングするだけでなく

but to also balance this pole.

バランスを取って この棒を立てさせることにしましょう

With a little bit of practice,

少し練習すれば

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

人間には苦もなく できることです

両足を地面に付けて

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

器用な手を使って

やるということであれば—

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

でも片足で立って

when I only have one foot on the ground

手を使わずに 足でやるとなると

and when I don't use my hands.

ちょっと難しくなります

Notice how this pole has a reflective marker on top,

棒の先端に 反射マーカーがあって

which means that it can be located in the space.

部屋の中での位置が分かるように してあることに注意してください

(Audience) Oh!

(拍手)

(Applause)

(Applause ends)

棒のバランスを取るために クアッドが細かく—

You can notice that this quad is making fine adjustments

調整しているのが 分かるかと思います

to keep the pole balanced.

このアルゴリズムを どう設計したかですが

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

クアッドに棒の数学的モデルを

to that of the quad.

追加したんです

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

クアッドと棒を組み合わせた モデルができれば

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

制御理論を使って その制御をする アルゴリズムが作れます

Here, you see that it's stable,

ご覧のように 安定していて

and even if I give it little nudges,

ちょっと押してやっても

it goes back --

バランスの取れた状態に 戻ります

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

このモデルを拡張して

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

行って欲しい場所も 含めることができます

Using this pointer, made out of reflective markers,

この反射マーカーのついた 指示棒を使って

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

私から一定の距離で

a fixed distance away from me.

クアッドに行って欲しい 場所を指示します

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

このような曲芸飛行の 鍵になるのが

designed with the help of mathematical models

数学的モデルと制御理論に 基づいて設計された

and control theory.

アルゴリズムです

Let's tell the quad to come back here

クアッドに戻ってきて

and let the pole drop,

棒を落とすように 指示しましょう

and I will next demonstrate the importance

次に 物理的モデルや—

物理的世界の 仕組みの理解が

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

いかに重要かを お見せします

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

水入りのコップを 載せたとき

高度が下がったのに お気づきでしょう

Unlike the balancing pole,

棒のバランスを 取った時とは違い

I did not include the mathematical model of the glass

このコップは数学的モデルに 組み入れていません

in the system.

このシステムは 水の入ったコップが あることさえ知りません

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

前と同じように ポインタを使って

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

where I want it to be in space.

好きな場所に クアッドを行かせられます

(拍手)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

不思議にお思いかも しれませんが

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

なぜコップの水が こぼれないのでしょう？

Two facts.

２つの要因があって １つは重力がすべての物に

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

同じように働く ということ

The second is that the propellers

もう１つは プロペラが みんなコップと同じ

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

真上を向いている ということです

You put these two things together,

この２つの結果として

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

コップに対して横にかかる 力はわずかで

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

主に空力的な 効果ですが

which at these speeds are negligible.

今のスピードでは 無視できます

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

コップをモデルに含めなくても いいのはそのためです

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

クアッドが どのように飛ぼうと 水はこぼれません

(Audience) Oh!

(Applause)

(拍手)

(Applause ends)

The lesson here

ここでの教訓は ある種の動作は

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

他の動作よりも 簡単で

and that understanding the physics of the problem

どのような動作が 簡単かは

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

その物理現象を理解することで 分かるということです

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

今の場合 水の入ったコップを運ぶのは 簡単であり

Balancing a pole is hard.

棒のバランスを取るのは 難しいというわけです

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

怪我をしていながらも すごいことを—

やってのける 運動選手の話をよく聞きます

Can a machine also perform with extreme physical damage?

機械の場合 本体に大きなー

損傷があっても 機能できるものでしょうか？

Conventional wisdom says

一般的には これを飛ばすためには

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

少なくとも４つのプロペラが 必要とされています

because there are four degrees of freedom to control:

ロール、ピッチ、ヨー、加速と

roll, pitch, yaw and acceleration.

４つの自由度が あるからです

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

ヘクサコプターやオクトコプターには ６つか８つのプロペラがあり

can provide redundancy,

冗長性があります

but quadrocopters are much more popular

クアッドに人気があるのは

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

４つという最小限の

モーターとプロペラしか ないからです

Or do they?

それが欠けたら どうなるのでしょう？

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

２つのプロペラしか 機能していない場合の

with only two working propellers,

数学的モデルを 分析したところ

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

異例な方法で 飛ばせられる ことが分かりました

We relinquish control of yaw,

新しい構成に基づいた

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

アルゴリズムによって ヨーの制御はあきらめつつ

with algorithms that exploit this new configuration.

ロール ピッチ 加速は 制御し続けることができます

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

数学的モデルは それが正確にどんなとき

なぜ可能なのかを 教えてくれます

In this instance, this knowledge allows us to design

この知識によって 機体の損傷に対して

novel machine architectures

柔軟に対応できる 新しい構造や

優れたアルゴリズムを 設計することができます

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

冗長性を持たせるかわりに

instead of building machines with redundancy.

人間の運動選手のように 対応するのです

We can't help but hold our breath

飛び込み選手が 宙返りしながら

when we watch a diver somersaulting into the water,

水に飛び込んだり 跳馬選手が迫る地面を前に

or when a vaulter is twisting in the air,

空中で身を捻るのを見る時

思わず息を止めますよね

the ground fast approaching.

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

飛び込み選手は きれいに着水できるか？

Will the vaulter stick the landing?

跳馬選手は 着地を決められるか？

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

このクアッドに

３回転宙返りして

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

元の位置に戻らせたい としましょう

This maneuver is going to happen so quickly

非常に素早い動作が 要求されるため

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

やっている最中に位置を教えて 動きを修正させることはできません

There simply isn't enough time.

十分な時間がないのです

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

かわりにクアッドは目隠しでやって

observe how it finishes the maneuver,

動作をどう終えたかを観察し

and then use that information to modify its behavior

その情報によって 動きを修正し

so that the next flip is better.

次回にもっとうまく できるようにします

Similar to the diver and the vaulter,

飛び込みや 跳馬の選手と

it is only through repeated practice

同じように 練習を繰り返し

that the maneuver can be learned and executed

動きを身に付ける ことによってのみ

to the highest standard.

このような動きは 実現できるのです

(Laughter)

(Applause)

(拍手)

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

動くボールを打ち返すというのは 様々なスポーツで要求されるスキルです

運動選手が苦もなく

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

やっているように見えることを どうすれば機械に させられるでしょう？

(Laughter)

(拍手)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

このクアッドは ラケットが貼付けてありますが

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

スイートスポットは リンゴの大きさほどしかありません

次に説明する計算を 20ミリ秒ごと

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

つまり１秒間に 50回しています

We first figure out where the ball is going.

最初にボールの飛ぶ先を 求めます

We then next calculate how the quad should hit the ball

それから投げられた場所に 打ち返すには

ボールをどう打つ必要があるか 計算します

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

それから現在位置から ボールを打つ位置まで

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

移動する軌道を 計画します

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

そして その計画を 20ミリ秒間だけ実行します

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

20ミリ秒後にまた このプロセス全体を繰り返し

until the quad strikes the ball.

ボールを打つ瞬間まで それを続けます

(Applause)

(拍手)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

機械はダイナミックな行動を 単独で行うだけでなく

they can do it collectively.

集団で行うこともできます

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

この３台のクアッドは 協働で網を持っています

(Applause)

(拍手)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

ボールを私に 投げ返すために

とてもダイナミックで 集団的な

to launch the ball back to me.

行動を取っています

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

引っ張りきった時 クアッドが直立しているでしょう？

(Applause)

(拍手)

In fact, when fully extended,

実際この時にかかる力は

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

バンジージャンプした人が 綱の先で受ける力の

at the end of their launch.

５倍ほどにもなります

The algorithms to do this are very similar

このためのアルゴリズムは

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

単独でボールを打ち返す場合と よく似たものです

Mathematical models are used to continuously re-plan

数学的モデルを使って 絶えず—

a cooperative strategy 50 times per second.

協調的行動を再計画するというのを 毎秒50回繰り返しています

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

ここまでは

機械の能力を 見て頂きました

What happens when we couple this machine athleticism

この機械の運動能力と 人間を組み合わせると

with that of a human being?

どうなるでしょう？

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

私の前にあるのは 主にゲームで使われる 市販の—

mainly used in gaming.

ジェスチャーセンサーです

It can recognize what my various body parts

私の体の動きを

are doing in real time.

リアルタイムで 把握できます

Similar to the pointer that I used earlier,

先ほど使った ポインタと同様に

we can use this as inputs to the system.

これも入力システムとして 使うことができます

We now have a natural way of interacting

これにより機械の動作を

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

仕草によって自然に 操ることができます

(Applause)

(拍手)

インタラクションは仮想的なものだけでなく 物理的なものでもあり得ます

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

たとえば このクアッドは

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

一定の場所に いようとします

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

他の場所に 移そうとしても

and moves back to where it wants to be.

抵抗して 元の場所に戻ります

We can change this behavior, however.

でもこの振る舞いを 変えることもできます

We can use mathematical models

クアッドに

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

かけられる力を推定する 数学的モデルを使います

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

力が分かれば 物理法則を変えることもできます

as far as the quad is concerned, of course.

あくまでクアッドに 関する限りですが

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

このクアッドは

粘性の液体中にいるかのように 振る舞います

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

機械に対し 仄めかすように

指示できるように なりました

I will use this new capability to position

この新しい能力を使って

this camera-carrying quad to the appropriate location

このカメラ付きのクアッドを

for filming the remainder of this demonstration.

デモの撮影に適した位置に 移動させることにしましょう

So we can physically interact with these quads

クアッドと 体を使ってやり取りし

and we can change the laws of physics.

物理法則を変える ことができました

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

これを使って少し 遊んでみましょう

For what you will see next,

次にご覧頂くのは

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

クアッドが最初は 冥王星にいるかのようですが

As time goes on, gravity will be increased

時間が進むにつれ 重力が強くなっていき

until we're all back on planet Earth,

地球の重力に戻る というものです

but I assure you we won't get there.

そこまでは 続かないでしょうが

Okay, here goes.

ひとつ やってみましょう

(Laughter)

(笑)

(Laughter)

(笑)

(Applause)

(拍手)

Whew!

フーッ！

「こいつら遊びすぎだろ」と

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

思われるかも しれませんね

and you're probably also asking yourself,

それに機械の 運動選手なんか作って

why exactly are they building machine athletes?

どうするのかと 疑問をお持ちかも

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

動物の世界では 遊びは

スキルや能力を磨く役割がある という説があります

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

集団を結び付ける 社会的役割がある

that it's used to bind the group.

という説もあります

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

私達は同様に スポーツや 競技のアナロジーを使って

to create new algorithms for machines

機械のための 新しいアルゴリズムを作り

to push them to their limits.

限界を押し広げよう としているんです

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

機械のスピードが 私達の生活に もたらす影響は何でしょう？

Like all our past creations and innovations,

過去のあらゆる 発明や創作と同様

they may be used to improve the human condition

それは人々の生活の 改善にも使えるだろうし

or they may be misused and abused.

誤った使い方も できるでしょう

This is not a technical choice we are faced with;

私達が直面しているのは

it's a social one.

技術的ではなく 社会的な選択です

Let's make the right choice,

正しい選択をして

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

未来の機械から最善のものを 引き出すようにしましょう

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

ちょうどスポーツ競技が

私達の最善の部分を 引き出すように

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

緑色の幕の裏にいる 魔術師達を紹介させてください

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

「飛行機械の競技場」研究チームの 現在のメンバーです

(Applause)

(拍手)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

フェデリコ・アウグリアーロ ダリオ・ブレシアニーニ　マーカス・ハーン

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

セルゲイ・ルーパーシン マーク・ミュラー　ロビン・リッツ

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

偉大なものを作るべく 生まれてきた人たちです

どうもありがとう

Thank you.

(Applause)

(拍手)