The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Vertaald door: Rik Delaet Nagekeken door: Els De Keyser

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

Wat betekent het voor een machine om atletisch te zijn?

We zullen het concept van machine-atletiek demonstreren

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

evenals het onderzoek om het te bereiken

with the help of these flying machines called quadrocopters,

met behulp van deze vliegmachines,

or quads, for short.

quadrocopters of korter quads genaamd.

Quads have been around for a long time.

Quads zijn er al een hele tijd.

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

Hun tegenwoordige populariteit

hebben ze te danken aan hun eenvoudige mechanica.

By controlling the speeds of these four propellers,

Door het controleren van de snelheden van deze vier schroeven,

these machines can roll, pitch, yaw,

kunnen deze machines rollen, stampen, gieren

and accelerate along their common orientation.

en versnellen langs hun gemeenschappelijke richting.

On board are also a battery, a computer,

Ze hebben ook nog een batterij, een computer,

various sensors and wireless radios.

diverse sensoren en radio's aan boord.

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

Quads zijn uiterst wendbaar, maar deze flexibiliteit heeft haar prijs.

They are inherently unstable,

Ze zijn inherent instabiel en een vorm van

and they need some form of automatic feedback control

automatische terugkoppelingscontrole is nodig om te kunnen vliegen.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Hoe deed hij dit?

Cameras on the ceiling and a laptop

Camera's op het plafond en een laptop

serve as an indoor global positioning system.

dienen als een overdekt global positioning system.

Het wordt gebruikt om objecten te lokaliseren in de ruimte

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

door middel van die reflecterende merkpunten.

This data is then sent to another laptop

Deze gegevens wordt vervolgens verzonden naar een andere laptop

that is running estimation and control algorithms,

die schattings- en controlealgoritmen uitvoert

which in turn sends commands to the quad,

en op zijn beurt commando's naar de quad stuurt

which is also running estimation and control algorithms.

die ook schattings- en controlealgoritmen uitvoert.

The bulk of our research is algorithms.

Het grootste deel van ons onderzoek gaat over algoritmen.

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

Dat is de magie die deze machines tot leven brengt.

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

Maar hoe ontwerp je algoritmen

om een machine-atleet te maken?

We use something broadly called model-based design.

In grote lijnen door wat we modelgebaseerd ontwerp noemen.

We first capture the physics

Wij leggen eerst de fysica vast in een wiskundig model

with a mathematical model of how the machines behave.

van hoe deze machines zich gedragen.

We then use a branch of mathematics called control theory

We gebruiken een deelgebied van de wiskunde,

regeltechniek genoemd, voor het analyseren van deze modellen

to analyze these models

en ook voor het opstellen van algoritmen om ze te controleren.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Zo laten we de quad bijvoorbeeld zweven.

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

We leggen de dynamica vast

in een set differentiaalvergelijkingen.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Dan manipuleren we deze vergelijkingen

met behulp van regeltechniek om algoritmen te maken die de quad stabiliseren.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Ik toon even de mogelijkheden van deze aanpak.

Suppose that we want this quad to not only hover

Stel dat we deze quad niet alleen willen laten zweven,

but to also balance this pole.

maar ook nog deze stok in evenwicht houden.

With a little bit of practice,

Met een beetje oefening

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

heeft een mens daar geen probleem mee.

Maar wij hebben het voordeel

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

van twee voeten op de grond

en zeer veelzijdige handen.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Dit wordt een beetje moeilijker

when I only have one foot on the ground

Ik heb slechts één voet op de grond

and when I don't use my hands.

en ik gebruik mijn handen niet.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Let op de reflecterende markering bovenaan de stok.

which means that it can be located in the space.

Daardoor wordt hij gelokaliseerd in de ruimte.

(Audience) Oh!

(Applaus)

(Applause)

(Applause ends)

Merk de fijne correcties op

You can notice that this quad is making fine adjustments

om de stok in evenwicht te houden.

to keep the pole balanced.

Hoe ontwierpen we de algoritmen hiervoor?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Wij combineerden het mathematisch model van de stok met dat van de quad.

to that of the quad.

Wij combineerden het mathematisch model van de stok met dat van de quad.

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

Zodra we een model hebben van het gecombineerde quad-stok-systeem

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

kunnen we met regeltechniek algoritmen maken om te controleren.

Here, you see that it's stable,

Je kunt zien dat het stabiel is,

and even if I give it little nudges,

zelfs als ik er kleine duwtjes tegen geef,

it goes back --

komt het terug naar de evenwichtspositie.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

We kunnen het model ook uitbreiden

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

met waar we de quad willen hebben in de ruimte.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Met behulp van deze aanwijzer met reflecterende markeringen

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

kan ik aanwijzen waar ik de quad wil hebben in de ruimte

a fixed distance away from me.

op een vaste afstand van mij.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

De sleutel tot deze acrobatische manoeuvres zijn algoritmen

designed with the help of mathematical models

ontworpen met behulp van wiskundige modellen

and control theory.

en regeltechniek.

Let's tell the quad to come back here

Laten we de quad terugroepen

and let the pole drop,

en de stok laten zakken.

and I will next demonstrate the importance

Vervolgens zal ik het belang aantonen

van het begrip van fysische modellen

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

en de werking van de fysische wereld.

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

Merk op hoe de quad hoogte verloor

toen ik dit glas water erop zette.

Unlike the balancing pole,

In tegenstelling tot de balanceerstok

I did not include the mathematical model of the glass

heb ik het wiskundige model van het glas niet in het systeem opgenomen.

in the system.

In feite weet het systeem niet eens dat het glas water er is.

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

Net zoals daarstraks kan ik de aanwijzer gebruiken om de quad te vertellen

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

where I want it to be in space.

waar ik hem wil hebben in de ruimte.

(Applaus)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Je zou je moeten afvragen: waarom valt het water niet uit het glas?

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

Je zou je moeten afvragen: waarom valt het water niet uit het glas?

Two facts.

Twee redenen: ten eerste werkt de zwaartekracht

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

op alle objecten op dezelfde manier.

The second is that the propellers

Ten tweede wijzen alle schroeven

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

in dezelfde richting als het glas, omhoog dus.

You put these two things together,

Het netto resultaat van deze twee dingen samen

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

is dat alle zijdelingse krachten op het glas klein zijn

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

en vooral gedomineerd worden door aërodynamische effecten,

which at these speeds are negligible.

die bij deze snelheden te verwaarlozen zijn.

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

Daarom hoef je het glas niet in het model op te nemen.

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

Uit zichzelf morst het niet, wat de quad ook doet.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Applaus)

(Applause ends)

The lesson here

De les hieruit is dat sommige ingewikkelde taken

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

gemakkelijker zijn dan andere,

and that understanding the physics of the problem

en dat het inzicht in de fysica van het probleem

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

je vertelt welke gemakkelijk en welke moeilijk zijn.

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

In dit geval is het dragen van een glas water eenvoudig.

Balancing a pole is hard.

En een stok balanceren moeilijk.

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

We hebben allemaal al verhalen gehoord van atleten

die prestaties verrichtten nadat ze fysiek gewond waren geraakt.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Kan een machine haar taak ook uitvoeren

met extreme fysieke schade?

Conventional wisdom says

Conventionele wijsheid zegt je dat je

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

ten minste vier vaste motor-propellerparen nodig hebt om te vliegen,

because there are four degrees of freedom to control:

omdat er vier graden van vrijheid gecontroleerd moeten worden:

roll, pitch, yaw and acceleration.

rollen, stampen, gieren en versnelling.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Hexacopters en octocopters, met zes en acht schroeven,

can provide redundancy,

kunnen redundantie bieden,

but quadrocopters are much more popular

maar quadrocopters zijn veel meer in trek

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

omdat ze het minimum aantal

vaste motor-propellerparen hebben: vier.

Or do they?

Is dat wel zo?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Als we het mathematisch model van deze machine analyseren

with only two working propellers,

met slechts twee werkende schroeven

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

ontdekken we dat er een onconventionele manier bestaat om te vliegen.

We relinquish control of yaw,

Gieren controleren lukt niet meer,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

maar rollen, stampen en versnelling kunnen nog steeds worden gecontroleerd

with algorithms that exploit this new configuration.

met algoritmes die gebruik maken van deze nieuwe configuratie.

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

Wiskundige modellen vertellen ons precies

wanneer en waarom dit mogelijk is.

In this instance, this knowledge allows us to design

In dit geval laat deze kennis ons toe

novel machine architectures

nieuwe machinearchitecturen

of slimme algoritmen te ontwerpen die elegant de schade kunnen ondervangen,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

net zoals menselijke atleten dat doen,

instead of building machines with redundancy.

in plaats van machines met redundantie te bouwen.

We can't help but hold our breath

Vanzelf houden we onze adem in wanneer we kijken

when we watch a diver somersaulting into the water,

naar een duiker die een dubbele schroef maakt

or when a vaulter is twisting in the air,

of wanneer een hoogspringer een salto maakt in de lucht,

terwijl de grond op hem af komt.

the ground fast approaching.

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

Zal de duiker mooi het water raken?

Will the vaulter stick the landing?

Zal de hoogspringer goed neerkomen?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Stel dat we willen dat deze quad hier

een drievoudige salto uitvoert en

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

op exact dezelfde plek neerkomt als waarvan hij vertrok.

This maneuver is going to happen so quickly

Deze manoeuvre gaat zo snel

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

dat we geen positiefeedback kunnen gebruiken om de beweging tijdens de uitvoering te corrigeren.

There simply isn't enough time.

Er is gewoon niet genoeg tijd.

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

De quad kan dit manoeuvre blindelings uitvoeren,

observe how it finishes the maneuver,

observeren hoe hij eindigt

and then use that information to modify its behavior

en die informatie gebruiken om het gedrag aan te passen

so that the next flip is better.

zodat zijn volgende salto beter is.

Similar to the diver and the vaulter,

Vergelijkbaar met de duiker en de hoogspringer

it is only through repeated practice

kan de manoeuvre alleen door middel van herhaalde praktijk

that the maneuver can be learned and executed

worden geleerd en uitgevoerd

to the highest standard.

tot de hoogste norm.

(Laughter)

(Applause)

(Applaus)

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

Een bewegende bal raken, is een noodzakelijke vaardigheid in vele sporten.

Hoe laten we een machine doen

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

wat een atleet schijnbaar zonder moeite kan?

(Laughter)

(Applaus)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Deze quad heeft een racket op zijn kop

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

met een ‘sweet spot’ ongeveer ter grootte van een appel, niet al te groot dus.

De volgende berekeningen gebeuren elke 20 milliseconden

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

of 50 keer per seconde.

We first figure out where the ball is going.

Eerst bepalen we waar de bal naartoe gaat.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Dan berekenen we hoe de quad de bal moet raken

zodat hij terugkeert naar zijn uitgangspunt.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Ten derde wordt een baan bepaald

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

die de quad van zijn huidige positie naar het raakpunt met de bal brengt.

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

Ten vierde voeren we alleen maar 20 milliseconden van die strategie uit.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Twintig milliseconden later wordt het hele proces herhaald

until the quad strikes the ball.

totdat de quad de bal raakt.

(Applause)

(Applaus)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Machines kunnen niet alleen op zichzelf dynamische manoeuvres uitvoeren,

they can do it collectively.

ze kunnen het ook samen doen.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Deze drie quads dragen coöperatief een vangnet.

(Applause)

(Applaus)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Zij voeren een uiterst dynamisch

en collectief manoeuvre uit

to launch the ball back to me.

om de bal terug naar mij te gooien.

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

Merk op dat deze quads bij volledige uitrekking verticaal staan.

(Applause)

(Applaus)

In fact, when fully extended,

In feite voelen ze bij volledige uitrekking

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

een ongeveer vijf keer grotere kracht

at the end of their launch.

dan een bungeespringer aan het einde van zijn val.

The algorithms to do this are very similar

Deze algoritmen zijn zeer vergelijkbaar

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

met die van de enkele quad om de bal naar mij terug te slaan.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Wiskundige modellen worden gebruikt om continu 50 keer per seconde

a cooperative strategy 50 times per second.

een coöperatieve strategie te herplannen.

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

Alles wat we tot nu toe hebben gezien,

ging over de machines en hun mogelijkheden.

What happens when we couple this machine athleticism

Wat gebeurt er als we deze machine-atletiek

with that of a human being?

met die van een mens koppelen?

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

Ik heb hier een commerciële gebarensensor

mainly used in gaming.

voornamelijk gebruikt bij het gamen.

It can recognize what my various body parts

Hij herkent wat mijn verschillende lichaamsdelen

are doing in real time.

in real time doen.

Similar to the pointer that I used earlier,

Vergelijkbaar met de aanwijzer die ik al eerder gebruikte,

we can use this as inputs to the system.

kunnen we dit gebruiken als input voor het systeem.

We now have a natural way of interacting

We hebben nu een natuurlijke manier van interactie

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

van de ruwe atletiek van deze quads met mijn gebaren.

(Applause)

(Applaus)

Interactie hoeft niet virtueel te zijn. Het kan ook fysiek.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Neem bijvoorbeeld deze quad.

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

Hij probeert om op een vast punt in de ruimte te blijven.

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

Als ik hem probeer te verplaatsen, vecht hij tegen

and moves back to where it wants to be.

en gaat terug naar waar hij wil zijn.

We can change this behavior, however.

We kunnen dit gedrag echter wijzigen.

We can use mathematical models

Met wiskundige modellen kunnen we

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

de kracht schatten die ik uitoefen op de quad.

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

Zodra we deze kracht kennen, kunnen we ook de wetten van de fysica veranderen.

as far as the quad is concerned, of course.

Die van de quad, natuurlijk.

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

Hier gedraagt de quad zich alsof hij

in een kleverige vloeistof zit.

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

We hebben nu een intieme manier

van interactie met een machine.

I will use this new capability to position

Ik gebruik nu deze nieuwe mogelijkheid

this camera-carrying quad to the appropriate location

om deze quad-met-camera op de juiste locatie te plaatsen

for filming the remainder of this demonstration.

om de rest van deze demonstratie te filmen.

So we can physically interact with these quads

We kunnen nu fysiek met deze quads communiceren

and we can change the laws of physics.

en de wetten van de fysica veranderen.

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

Laten we daar eens een beetje lol mee maken.

For what you will see next,

Deze quads gaan zich gedragen

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

alsof ze op Pluto zijn.

As time goes on, gravity will be increased

Geleidelijk aan zal de zwaartekracht toenemen

until we're all back on planet Earth,

totdat we allemaal terug op de Aarde zijn.

but I assure you we won't get there.

Maar ik verzeker jullie dat we er niet zullen geraken.

Okay, here goes.

Oké, hier gaan we.

(Laughter)

(Gelach)

(Laughter)

(Gelach)

(Applause)

(Applaus)

Whew!

Oef!

Jullie denken nu allemaal zeker

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

dat deze jongens veel te veel plezier hebben.

and you're probably also asking yourself,

Waarschijnlijk vraag je jezelf ook af

why exactly are they building machine athletes?

waarom ze eigenlijk die machine-atleten maken.

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Sommigen vermoeden dat spelen in het dierenrijk

dient om vaardigheden aan te scherpen en vermogens te ontwikkelen.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Anderen zien er meer een sociale rol in

that it's used to bind the group.

voor het versterken van de groepsbinding.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

Zo gebruiken wij de analogie met sport en atletiek

to create new algorithms for machines

voor het maken van nieuwe algoritmen voor machines

to push them to their limits.

om ze tot hun uiterste mogelijkheden te dwingen.

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

Welke gevolgen zal de snelheid van machines hebben op onze manier van leven?

Like all our past creations and innovations,

Zoals onze vroegere creaties en innovaties

they may be used to improve the human condition

kunnen ze worden gebruikt ter verbetering van het menselijk bestaan,

or they may be misused and abused.

maar ze kunnen ook worden misbruikt.

This is not a technical choice we are faced with;

Het is geen technische keuze waar wij mee worden geconfronteerd,

it's a social one.

maar een sociale keuze.

Let's make the right choice,

Laten we de juiste keuze maken,

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

de keuze die het beste haalt uit de toekomst van de machines,

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

net zoals atletiek in de sport

het beste uit ons kan halen.

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

Laat me jullie de tovenaars achter de schermen voorstellen.

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

Het zijn de huidige leden van het onderzoeksteam Flying Machine Arena.

(Applause)

(Applaus)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller en Robin Ritz.

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

Hou ze in de gaten. Ze zijn voorbestemd voor grote dingen.

Bedankt.

Thank you.

(Applause)

(Applaus)