The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

번역: Inho Jeong 검토: Kwangmin Lee

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

기계의 운동성이라는 것은 무엇일까요?

지금부터 기계 운동성의 개념과

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

이를 다룬 연구에 대해

with the help of these flying machines called quadrocopters,

'쿼드콥터', 혹은 짧게 '쿼드'라고 불리는 이 비행 기구를 통해

or quads, for short.

보여 드리겠습니다.

Quads have been around for a long time.

쿼드가 만들어진 지는 꽤 됐습니다.

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

그런데 요새 쿼드가 이렇게 인기를 끄는 이유는

기계적으로 단순하기 때문입니다.

By controlling the speeds of these four propellers,

이런 4개의 프로펠러의 속도를 조절함으로써

these machines can roll, pitch, yaw,

돌기, 던지기, 한쪽으로 기울이기를 할 수 있고

and accelerate along their common orientation.

여럿이 같은 방향으로 동시에 날 수 있습니다.

On board are also a battery, a computer,

여기에는 배터리, 컴퓨터,

various sensors and wireless radios.

여러 가지 센서와 무선 통신 장치가 장착되어 있습니다.

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

쿼드는 굉장히 민첩합니다. 하지만 이렇게 만드는 데 댓가가 따르죠.

They are inherently unstable,

민첩한 대신 본질적으로 불안정하며 날아다니기 위해서는

and they need some form of automatic feedback control

일종의 자동 피드백 제어가 필요합니다.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

방금 이건 어떻게 한 걸까요?

Cameras on the ceiling and a laptop

천장에 달린 카메라와 랩톱 컴퓨터가

serve as an indoor global positioning system.

전반적인 실내 위치 제어 시스템으로 작동합니다.

그 시스템은 설치된 공간에서

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

이런 반사체로 표시된 물체의 위치를 파악하는 데에 사용됩니다

This data is then sent to another laptop

파악된 위치는 다른 랩톱 컴퓨터로 보내지고,

that is running estimation and control algorithms,

그 컴퓨터는 추정값과 제어 알고리즘을 계산해서

which in turn sends commands to the quad,

쿼드에 차례로 명령을 보냅니다.

which is also running estimation and control algorithms.

쿼드 또한 추정값과 제어 알고리즘을 계산하고 있죠

The bulk of our research is algorithms.

저희 연구의 대부분은 알고리즘입니다.

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

알고리즘은 이 기계들에게 생명을 불어넣는 마법이죠.

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

그렇다면 이렇게 기계가 운동성을 갖게 만드는

알고리즘은 어떻게 만들까요?

We use something broadly called model-based design.

저희는 흔히 모델 기반 설계라고 불리는 것을 사용했습니다.

We first capture the physics

우선 기계가 물리적으로 어떻게 움직이는지

with a mathematical model of how the machines behave.

수학 모델을 이용해 나타냈습니다.

We then use a branch of mathematics called control theory

그 다음 제어 이론이라 불리는 수학의 한 분야를 통해

그 수학 모델을 분석하고

to analyze these models

기계를 제어할 알고리즘을 구현했습니다.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

예를 들어, 쿼드를 공중에 떠있게 하는 것도 마찬가지입니다

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

먼저 일련의 미분 방적식을 통해

역학 관계를 나타내고

We then manipulate these equations with the help of control theory

제어 이론의 도움을 받아 그 미분 방정식을 조작하여

쿼드를 안정적으로 떠있게 하는 알고리즘을 만든 겁니다.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

이제 이 접근법의 강점이 뭔지 보여 드리죠.

Suppose that we want this quad to not only hover

이 쿼드가 공중에 떠있는 것 뿐만 아니라

but to also balance this pole.

이 막대가 넘어지지 않게 균형을 잡게 하고 싶다고 칩시다.

With a little bit of practice,

사람은 누구나 조금만 연습하면

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

이렇게 균형 잡는 법을 쉽게 알 수 있습니다.

물론 우리에겐 땅을 짚을 수 있는

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

두 발이 있고

무슨 일이든 할 수 있는 손이 있긴 하지만요.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

그런데 손을 쓰지 않고

when I only have one foot on the ground

한 발만 짚는다면

and when I don't use my hands.

꽤 어려워집니다.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

이 막대의 윗부분은 반사체로 표시돼 있어서

which means that it can be located in the space.

컴퓨터가 그 위치를 파악할 수 있습니다.

(Audience) Oh!

(박수)

(Applause)

(Applause ends)

쿼드가 미세한 조정을 통해 막대가 넘어지지 않게

You can notice that this quad is making fine adjustments

균형을 잡는 것이 보일 것입니다.

to keep the pole balanced.

이 알고리즘을 어떻게 설계했을까요?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

막대에 대한 수학 모델을

to that of the quad.

쿼드에 입력한 겁니다.

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

쿼드와 막대가 결합된 모델이 만들어지면

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

제어 이론을 통해 그것을 제어할 알고리즘을 만들 수 있죠.

Here, you see that it's stable,

지금 안정된 상태가 보이실 겁니다.

and even if I give it little nudges,

그리고 이렇게 조금 밀어도

it goes back --

바로 균형이 잘 잡힌 위치로 되돌아갑니다

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

모델을 확장시켜

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

우리가 원하는 곳으로 쿼드를 이동시킬 수도 있습니다.

Using this pointer, made out of reflective markers,

반사체로 표시된 이 포인터를 이용해서

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

원하는 방향을 가리키면 저와의 거리를 바꾸며

a fixed distance away from me.

쿼드가 움직이게 할 수 있습니다.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

이렇게 곡예에 가까운 동작의 핵심은

designed with the help of mathematical models

수학 모형과 제어 이론의 도움으로 설계된

and control theory.

알고리즘입니다.

Let's tell the quad to come back here

쿼드가 여기로 돌아와서 막대를 떨어트리도록

and let the pole drop,

조작해 보죠.

and I will next demonstrate the importance

다음에는 물리적 모형을 이해하는 것이

왜 중요한지와

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

물리적인 작동 원리를 보여드리겠습니다.

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

제가 물컵을 내려놓자

쿼드가 약간 내려가는 것을 보셨을 겁니다.

Unlike the balancing pole,

막대와는 달리 이 잔에 대한 수학 모델은

I did not include the mathematical model of the glass

시스템에 입력하지 않았습니다.

in the system.

사실 시스템은 물컵이 거기 있는지도 인식하지 못합니다.

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

아까와 마찬가지로 포인터를 이용해

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

where I want it to be in space.

쿼드를 이동시켜 보겠습니다.

(박수)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

여러분은 궁금하실 겁니다,

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

"어떻게 컵에서 물이 떨어지지 않는 거지?"라고요.

Two facts.

두 가지 법칙이 작용하는데, 첫째는 어떤 물체든지

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

중력의 영향을 똑같이 받는다는 것이고,

The second is that the propellers

둘째는 프로펠러 네 개가 놓여있는 방향이

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

물컵과 똑같이 위로 향하고 있다는 것입니다.

You put these two things together,

이 두 가지 사실을 종합해 보면

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

물컵 양쪽에 가해지는 힘은 작은 반면

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

많은 공기 역학의 영향이 컵의 측면에 작용하는 힘을 압도하여

which at these speeds are negligible.

측면에 가해지는 힘이 무시될 수 있다는 겁니다.

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

그래서 물컵에 대한 모델은 필요하지 않은 거지요.

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

쿼드가 어떻게 움직이든 물을 흘리지 않습니다.

(Audience) Oh!

(Applause)

(박수)

(Applause ends)

The lesson here

여기서 알 수 있는 것은 고도로 정밀한 조작 중에는

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

구현이 쉬운 것과 어려운 것이 있고

and that understanding the physics of the problem

어떤 게 쉽고 어려운지 판별하려면

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

물리학을 이해해야 한다는 것입니다.

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

방금 보신 물컵 옮기기는 쉬운 편입니다.

Balancing a pole is hard.

막대 균형을 잡는 건 어렵고요.

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

운동 선수들이 부상당한 뒤에도

뛰어난 활약을 보이는 경우를 들어보셨을 겁니다.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

그러면 기계 또한 상당한 물리적 손상을 입었을 때

제대로 작동할 수 있을까요?

Conventional wisdom says

상식적으로 생각해보면

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

날기 위해서는 적어도 4개의 고정된 프로펠러가 필요합니다.

because there are four degrees of freedom to control:

제어에는 4단계의 자유도가 있기 때문이죠:

roll, pitch, yaw and acceleration.

돌기, 솟아오르기, 기울기와 가속화의 4 단계 말입니다.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

프로펠러가 각각 6개인 헥사콥터와 8개인 옥토콥터는

can provide redundancy,

프로펠러가 필요 이상으로 많습니다.

but quadrocopters are much more popular

쿼드콥터가 인기있는 이유는

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

4개라는 최소한의 고정된 구동 프로펠러로

구동시킬 수 있기 때문입니다.

Or do they?

사실일까요?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

쿼드의 수학 모델을 두 개의 프로펠러만 멀쩡할 경우로

with only two working propellers,

분석하면

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

기구를 비행시키는 예상밖의 방법이 있음을 발견하게 됩니다.

We relinquish control of yaw,

기울기 제어는 포기하게 되지만

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

뒤집기, 솟아오르기, 가속화는 여전히

with algorithms that exploit this new configuration.

이러한 새로운 설정을 찾아내는 알고리즘을 이용해 제어할 수 있습니다.

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

수학 모델을 이해하면 언제, 그리고 어떻게

이런 것이 가능한지를 정확히 알 수 있습니다.

In this instance, this knowledge allows us to design

이러한 지식이 저희로 하여금

novel machine architectures

참신한 기계 설계나

인간 운동 선수들처럼 부상을 당해도 부드럽게 움직일 수 있게 해주는

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

알고리즘을 설계하도록 해 줍니다.

instead of building machines with redundancy.

불필요한 프로펠러를 더 달지 않아도 말이죠.

We can't help but hold our breath

우리는 다이빙 선수가 물에 뛰어들며 공중제비를 넘을 때나

when we watch a diver somersaulting into the water,

장대 높이뛰기 선수가 공중에서 몸을 비틀며

or when a vaulter is twisting in the air,

밑으로 빠르게 떨어지는 것을 볼 때마다

숨을 죽일 수 밖에 없습니다.

the ground fast approaching.

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

"다이빙 선수가 립 입수를 해낼 수 있을까?"

Will the vaulter stick the landing?

"장대 높이뛰기 선수가 동작을 깔끔하게 마무리할 수 있을까?" 하고 말이죠.

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

예를 들어 이 쿼드가

세 번 연속으로 뒤집기를 한 다음

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

처음의 위치로 정확하게 되돌아가게 하고 싶다고 해보죠.

This maneuver is going to happen so quickly

이 조작은 아주 빨라서

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

위치에 대한 피드백으로 동작을 시정할 수 없습니다.

There simply isn't enough time.

그럴 시간이 없거든요.

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

그 대신, 쿼드는 아무 것도 모른 채로 동작을 수행하고

observe how it finishes the maneuver,

자신이 그 동작을 어떻게 끝내는지 측정하여

and then use that information to modify its behavior

얻은 정보를 가지고 스스로 자기 행동을 수정합니다.

so that the next flip is better.

그렇게 하면 다음 뒤집기는 향상될 테니까요.

Similar to the diver and the vaulter,

다이빙이나 장대 높이뛰기 선수와 비슷합니다.

it is only through repeated practice

수도 없이 연습을 해야

that the maneuver can be learned and executed

동작이 학습되고 최고의 수준까지

to the highest standard.

끌어올릴 수 있거든요.

(Laughter)

(Applause)

(박수)

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

많은 스포츠 종목에서는 움직이는 공을 치는 기술이 필수적입니다.

어떻게 하면 기계가 운동 선수들처럼

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

겉보기에는 쉽게 하는 일을 할 수 있도록 할까요?

(Laughter)

(박수)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

이 쿼드는 윗부분에 라켓을 장착했는데,

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

그 위에는 사과 정도 크기로 너무 크지는 않게 공을 치기 적합한 위치가 표시되어 있습니다.

이것에 필요한 계산은 매 20밀리초마다 이루어지는데

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

1초에는 50번 하는 셈입니다.

We first figure out where the ball is going.

우선 공이 어디로 가는지 알아내야 하고

We then next calculate how the quad should hit the ball

그 다음에는 쿼드가 어떻게 공을 칠 지 계산해서

공이 날아가는 곳으로 날아가게 되는 거죠.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

셋째로, 쿼드가 현 상태에서 공을 치기까지

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

이끌도록 하는 궤도가 만들어집니다.

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

넷째로 이런 전략의 실행은 20밀리초까지만 실행되는데

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

20밀리초 후에는 쿼드가 공을 다시 칠 때까지

until the quad strikes the ball.

전 과정이 되풀이되는 것이죠.

(Applause)

(박수)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

기계들은 이러한 동작을 혼자뿐만 아니라

they can do it collectively.

여럿이 동시에도 할 수 있습니다.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

이 세 쿼드들은 함께 그물 하나를 들고 있습니다.

(Applause)

(박수)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

아주 동적이고 집단적인

동작을 해 내죠.

to launch the ball back to me.

공을 저에게로 다시 던질 때

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

잘 보세요, 그물을 펼쳤을 때 쿼드들은 수직으로 서게 됩니다.

(Applause)

(박수)

In fact, when fully extended,

사실 그물이 완전히 펼쳐졌을 때는

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

번지 점프의 마지막에 느끼는 당기는 힘의

at the end of their launch.

약 다섯 배 정도입니다.

The algorithms to do this are very similar

이런 것을 하기 위한 알고리즘은

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

쿼드 하나로 공을 칠 때와 아주 비슷합니다.

Mathematical models are used to continuously re-plan

수학 모델이 사용되어 1초에 50번씩

a cooperative strategy 50 times per second.

끊임없이 협력 전략을 계산하죠.

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

지금까지 보신 것들은

기계와 기계가 할 수 있는 것들이었습니다.

What happens when we couple this machine athleticism

이런 기계의 운동성과 인간의 운동성을

with that of a human being?

결합하면 어떻게 될까요?

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

제 앞에 있는 것은 주로 게임에 사용되는

mainly used in gaming.

시판용 몸짓 센서입니다.

It can recognize what my various body parts

제 몸의 여러 부분이 어떻게 움직이는지

are doing in real time.

실시간으로 인식하죠.

Similar to the pointer that I used earlier,

아까 제가 썼던 포인터와 비슷하게

we can use this as inputs to the system.

이것을 이용해 시스템에 명령을 입력할 수 있습니다.

We now have a natural way of interacting

이렇게 하면 제 몸짓을 통해 기계의 다듬어지지 않은 운동성과

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

자연스럽게 상호작용 할 수 있게 됩니다.

(Applause)

(박수)

가상이 아니라 직접적으로 상호작용 할 수도 있습니다.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

이 쿼드를 예로 보여 드리면

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

한 공간에 고정되어 머무르려고 하고 있습니다.

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

억지로 옮기려고 하면, 저항하며

and moves back to where it wants to be.

있어야 할 곳으로 되돌아갑니다.

We can change this behavior, however.

하지만 이런 행동을 수정할 수도 있습니다.

We can use mathematical models

수학 모델을 이용해서

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

제가 쿼드에 가하는 힘을 측정하게 해서

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

어느 정도의 힘인지 알아내기만 하면 물리 법칙까지 바꿀 수 있습니다.

as far as the quad is concerned, of course.

물론 쿼드에 한해서 말이지만요.

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

이 쿼드는 마치 점액질 속에 있는 것처럼

움직이고 있습니다.

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

이제 기계와 상호작용하는

친밀한 방법이 생긴 셈이죠.

I will use this new capability to position

이 새로운 능력을 사용하여

this camera-carrying quad to the appropriate location

이 카메라 달린 쿼드가 적절한 위치에 있게 만들어

for filming the remainder of this demonstration.

이 강의의 나머지를 촬영해 보겠습니다.

So we can physically interact with these quads

이 쿼드들과 직접적으로 상호작용 함으로써

and we can change the laws of physics.

물리 법칙을 바꿀 수도 있습니다.

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

한번 재밌는 걸 해 볼까요?

For what you will see next,

이제는 세 개의 쿼드들이

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

명왕성에 있는 것처럼 움직일 겁니다.

As time goes on, gravity will be increased

시간이 지남에 따라 중력이 증가해서

until we're all back on planet Earth,

지구와 똑같이 되겠지만

but I assure you we won't get there.

거기까지 가지는 않도록 하겠습니다.

Okay, here goes.

한번 해 볼까요?

(Laughter)

(웃음)

(Laughter)

(웃음)

(Applause)

(박수)

Whew!

휴!

이제 생각하시겠죠.

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

너무 재밌기만 한 건 아니냐고요.

and you're probably also asking yourself,

그리고 또. 의문이 있으실 겁니다.

why exactly are they building machine athletes?

"대체 왜 이런 운동성 기계를 만드는 것일까?"

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

동물 세계에서의 "놀이"에 대해 어떤 분들은

기술을 연마하고 능력을 계발하는 데 이용된다고 추측하고

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

다른 분들은 집단을 하나로 묶기 위한

that it's used to bind the group.

사회적 기능을 한다고 추측합니다.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

그것과 비슷하게 저희는 운동 경기와 스포츠 정신에 이것을 비유함으로써

to create new algorithms for machines

기계들의 성능을 한계까지 끌어올리기 위한

to push them to their limits.

알고리즘을 개발합니다.

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

그렇다면 이들 기계의 속도가 우리 생활에는 어떤 영향을 미칠까요?

Like all our past creations and innovations,

과거의 발명품이나 혁신과 마찬가지로

they may be used to improve the human condition

이 기계들은 인간의 생활 환경을 개선할 수도,

or they may be misused and abused.

아니면 오용되거나 남용될 수도 있습니다.

This is not a technical choice we are faced with;

우리가 직면한 것은 기술적 문제가 아니라

it's a social one.

사회적 문제인 거죠.

Let's make the right choice,

옳은 결정을 내렸으면 좋겠습니다.

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

기계를 사용해서 최고의 미래를 이끌어낼 수 있는 결정 말입니다.

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

운동 경기에서의 스포츠 정신이

우리를 최선으로 이끌듯이 말입니다.

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

그럼 이제 이런 신기한 것들을 가능하게 한 마법사들을 소개하겠습니다.

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

"플라잉 머신 아레나"의 연구팀입니다.

(Applause)

(박수)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

페데리코 우굴리아로, 다리오 브레샤니니, 마커스 헨,

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

세르게이 루퍼쉰, 마크 물러, 그리고 로빈 리츠입니다.

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

이 친구들을 잘 지켜보시길 바랍니다: 앞으로 대단한 일들을 해낼 겁니다.

감사합니다.

Thank you.

(Applause)

(박수)