The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Translator: Theodor Tonum Reviewer: Jon Arne Toft

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

Så hva vil det si at en maskin er atletisk?

Vi skal demonstrere konseptet atletiske maskiner

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

og forskningen som står bak

with the help of these flying machines called quadrocopters,

ved hjelp av disse flyvemaskinene kalt quadracopters

or quads, for short.

ofte forkortet til quads.

Quads have been around for a long time.

Vi har hatt disse en god stund.

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

Grunnen til at de er blitt så populære nå

er fordi de er mekanisk enkle.

By controlling the speeds of these four propellers,

Ved å kontrollere hastigheten til disse fire propellene

these machines can roll, pitch, yaw,

kan maskinene rulle, pitche, dreie

and accelerate along their common orientation.

og aksellerere rundt deres felles orientasjon.

On board are also a battery, a computer,

Om bord finnes også et batteri, en datamaskin,

various sensors and wireless radios.

forskjellige sensorer og trådløse radioer.

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

De er ekstremt smidige, men denne smidigheten har sin pris.

They are inherently unstable,

De er inneboende ustabile, og trenger en eller annen form

and they need some form of automatic feedback control

for automatisk tilbakemelding for å kunne fly.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Så hvordan fikk jeg til det?

Cameras on the ceiling and a laptop

I taket finnes det kameraer koblet til en bærbar PC

serve as an indoor global positioning system.

som fungerer som en innendørs GPS.

Disse brukes for å lokalisere objekter i rommet

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

som har disse reflekterende markørene på seg.

This data is then sent to another laptop

Dataene blir deretter sendt til en annen bærbar datamaskin

that is running estimation and control algorithms,

som går igjennom estimering- og kontrollalgoritmer

which in turn sends commands to the quad,

for igjen å sende kommandoer til helikopteret

which is also running estimation and control algorithms.

som også kjører estimering- og kontrollalgoritmer.

The bulk of our research is algorithms.

Brorparten av vår forskning er algoritmer.

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

De står for magien som gjør maskinene levende.

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

Så hvordan designer man algoritmer

som skaper en atletisk maskin?

We use something broadly called model-based design.

Vi bruker noe som utbredt kalles modellbasert design.

We first capture the physics

Først finner vi ut av fysikken, med en matematisk modell,

with a mathematical model of how the machines behave.

for hvordan maskinene oppfører seg.

We then use a branch of mathematics called control theory

Deretter bruker vi en gren av matematikk

kalt kontrollteori for å analysere disse modellene

to analyze these models

samt komponere algoritmer for å kontrollere de.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Det er for eksempel slik vi kan la helikopteret sveve på samme plass i luften.

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

Først fant vi ut av dynamikken

ved hjelp av et sett differensialligninger.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Deretter manipulerte vi disse ligningende ved hjelp av

kontrollteori for å skape algoritmer som stabliserer helikopteret.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

La meg demonstrere styrken ved denne strategien.

Suppose that we want this quad to not only hover

Hva om vi ikke bare vil at helikopteret skal stå stille,

but to also balance this pole.

men også skal balansere denne pålen.

With a little bit of practice,

Ved hjelp av litt øving er det

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

ganske lett for et menneske å lære seg dette,

men vi har riktignok fordelene ved å ha

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

to bein i bakken

samt svært anvendelige hender.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Det blir litt vanskeligere

when I only have one foot on the ground

når jeg står på ett bein

and when I don't use my hands.

og ikke bruker hendene.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Legg merke til at denne pålen har en reflektiv markør på toppen,

which means that it can be located in the space.

noe som betyr at den kan lokaliseres i rommet.

(Audience) Oh!

(Applaus)

(Applause)

(Applause ends)

Du kan se at helikopteret gjør små justeringer

You can notice that this quad is making fine adjustments

for å holde pålen balansert.

to keep the pole balanced.

Hvordan designet vi algoritmene til å gjøre dette?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Vi la inn den matematiske modellen til pålen

to that of the quad.

til helikopterets modell.

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

Så fort vi har en modell for det kombinerte quad-påle-systemet

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

kan vi bruke kontrollteori for å styre den.

Here, you see that it's stable,

Her ser dere at den er stabil,

and even if I give it little nudges,

og selv om jeg gir den et lite dult,

it goes back --

går den tilbake til en rolig og balansert posisjon.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Vi kan også endre modellen til å inkludere

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

hvor vi ønsker å plassere helikopteret i rommet.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Ved hjelp av denne pekeren, laget av reflektive markører,

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

kan jeg peke på hvor jeg vil at den skal være i rommet

a fixed distance away from me.

en bestemt avstand ifra meg.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Nøkkelen til disse akrobatiske manøvrene er algoritmer

designed with the help of mathematical models

designet ved hjelp av matematiske modeller

and control theory.

og kontrollteori.

Let's tell the quad to come back here

La oss be helikopteret komme tilbake hit,

and let the pole drop,

legge fra seg pålen,

and I will next demonstrate the importance

så skal jeg videre demonstrere viktigheten av

forståelse for fysiske modeller

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

og hvordan den fysiske verden fungerer.

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

Legg merke til hvordan helikopteret mistet høyde

når jeg puttet dette vannglasset på den.

Unlike the balancing pole,

Til forskjell fra når vi balanserte pålen, så har jeg

I did not include the mathematical model of the glass

ikke inkludert den matematiske modellen av glasset i systemet.

in the system.

Faktisk så er ikke systemet en gang klar over at glasset med vann er der.

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

Som tidligere så kan jeg bruke pekeren for å si

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

where I want it to be in space.

hvor jeg vil at helikopteret skal befinne seg.

(Applaus)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Ok, så du spør kanskje deg selv,

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

hvorfor går ikke vannet ut av glasset?

Two facts.

Det er to grunner: Først av alt så vil tyngdekraften

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

påvirke alle objekter på lik måte.

The second is that the propellers

For det andre peker alle propellene

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

i samme retning som glasset - oppover.

You put these two things together,

Når man setter disse to tingene sammen er resulatet

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

at alle krefter fra sidene på glasset er små

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

og er stort sett dominert av luftmotsand

which at these speeds are negligible.

som er svært liten i denne hastigheten.

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

Derfor trenger man ikke å modellere glasset.

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

Det vil på naturlig vis ikke renne over uansett hva helikopteret gjør.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Applaus)

(Applause ends)

The lesson here

Det vi kan lære av dette er at noen oppgaver som

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

krever høy ytelse er enklere enn andre,

and that understanding the physics of the problem

og at forståelse for fysikken i et problem forteller

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

noe om hvilke som er enkle og vanskelige

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

I dette tilfellet er det å balansere et glass enkelt.

Balancing a pole is hard.

Å balansere en påle er vanskelig.

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

Vi har alle hørt om atleter som

yter selv når de er fysisk skadet.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Er det mulig for en maskin også

å yte med ekstreme fysiske skader?

Conventional wisdom says

Sunn fornuft tilsier at du trenger minst

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

fire fastmonterte propellerpar for å kunne fly,

because there are four degrees of freedom to control:

fordi det er fire grader av frihet som kontrolleres:

roll, pitch, yaw and acceleration.

rulle, pitch, dreie og aksellerasjon.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Hexakoptere og oktokoptere, med seks og åtte propeller

can provide redundancy,

kan tilby redundans,

but quadrocopters are much more popular

men kvadrakoptere er langt mer populære

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

fordi de har det minste antallet

påkrevde fastmonterte propellpar: fire.

Or do they?

Eller?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Dersom vi analyserer de matematiske modellene av denne maskinen

with only two working propellers,

med kun to fungerende propeller,

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

oppdater vi at det er en uordinær måte å fly den på.

We relinquish control of yaw,

Vi kan ikke lenger dreie,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

men det er fortsatt mulig å rulle, pitche og aksellerere

with algorithms that exploit this new configuration.

med algoritmer som utnytter den nye konfigurasjonen.

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

Matematiske modeller forteller oss nøyaktig når

og hvorfor dette er mulig.

In this instance, this knowledge allows us to design

I dette tilfellet gjør denne kunnskapen det mulig for

novel machine architectures

oss å designe nye maskinarkitekturer

eller smarte algoritmer som elegant håndterer skader,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

på samme måte som menneskelige atleter,

instead of building machines with redundancy.

i stedet for å bygge maskiner med redundans.

We can't help but hold our breath

Det er vanskelig å ikke holde pusten når vi ser

when we watch a diver somersaulting into the water,

en stuper tar en saltomortale mot vannet,

or when a vaulter is twisting in the air,

eller når en høydehopper snur seg i luften,

og faller raskt mot bakken.

the ground fast approaching.

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

Klarer stuperen en perfekt inngang?

Will the vaulter stick the landing?

Vil høydehopperen lande riktig.

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

La oss si at vi vil at dette helikopteret

skal ta tre saltoer og avslutte på

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

nøyaktig det samme sted som det startet.

This maneuver is going to happen so quickly

Denne manøveren kommer til å skje så raskt

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

at vi kan ikke bruke posisjonssystemet for å korrigere bevegelsene underveis.

There simply isn't enough time.

Det er rett og slett ikke nok tid.

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

I stedet kan helikopteret få utføre manøveren blindt,

observe how it finishes the maneuver,

observere hvordan den avslutter,

and then use that information to modify its behavior

for deretter å bruke informasjonen til å endre sin

so that the next flip is better.

oppførsel slik at det neste forsøket blir bedre.

Similar to the diver and the vaulter,

Til sammenligning med stuperen og høydehopperen

it is only through repeated practice

er det kun gjennom repetert øvelse

that the maneuver can be learned and executed

at manøveren kan bli lært og utført

to the highest standard.

til høyeste standard.

(Laughter)

(Applause)

(Applaus)

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

I mange sporter er det å treffe en ball i bevegelse er en nødvendig ferdighet.

Hvordan kan vi få en maskin til

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

å gjøre det en atlét gjør tilsynelatende enkelt?

(Laughter)

(Applaus)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Dette helikopteret har en racket festet til hodet

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

med et treffpunkt på omtrentlig størrelse med et eple. Altså ikke veldig stort.

De påfølgende kalkuleringene blir gjort hver 20. millisekund,

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

eller 50 ganger per sekund.

We first figure out where the ball is going.

Først må vi finne ut hvor ballen skal hen.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Deretter må vi kalkulere hvordan helikopteret skal treffe ballen

slik at den flyr tilbake der den kom fra.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Så planlegges en bane som helikopteret kan fly i fra

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

der den er nå til punktet der ballen treffer.

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

Denne strategien kjøres kun 20 millisekunder av gangen.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Tjue millisekunder senere så gjentas hele prosessen

until the quad strikes the ball.

på nytt til helikopteret treffer ballen.

(Applause)

(Applaus)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Maskiner kan ikke bare gjennomføre dynamiske manøvre på egenhånd,

they can do it collectively.

de kan også gjøre det kollektivt.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Disse tre helikopterne holder et nett sammen.

(Applause)

(Applaus)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

De gjennomfører en ekstremt dynamisk

og kollektiv manøver

to launch the ball back to me.

for å slå ballen tilbake til meg.

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

Legg merke til at når nettet er fullt utstrekt står helikoptrene vertikalt.

(Applause)

(Applaus)

In fact, when fully extended,

Faktisk er kraften som påføres

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

helikopterne omtrent fem ganger så kraftig

at the end of their launch.

sammenlignet med en strikkhopper.

The algorithms to do this are very similar

Algoritmene for å gjøre dette er veldig like

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

sammenlignet med det ene helikopteret som returnerte ballen til meg.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Matematiske modeller blir brukt kontinuerlig for å

a cooperative strategy 50 times per second.

planlegge strategien for samarbeidet 50 ganger i sekunder.

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

Alt vi har sett så langt har handlet om

maskiner og deres evner.

What happens when we couple this machine athleticism

Hva skjer når vi kobler de atletiske evnene til maskinene

with that of a human being?

med menneskets evner?

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

Foran meg har jeg en kommersiell bevegelsessensor

mainly used in gaming.

som primært er brukt til videospill.

It can recognize what my various body parts

Den kan gjenkjenne hva de forskjellige kroppsdelene

are doing in real time.

mine gjøre i sanntid.

Similar to the pointer that I used earlier,

Ikke ulikt hvordan jeg brukte pekeren tidligere

we can use this as inputs to the system.

kan vi benytte dette som input til systemet.

We now have a natural way of interacting

Vi har nå en naturlig måte å kombinere

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

maskinenes atletiske ferdigheter med mine bevegelser.

(Applause)

(Applaus)

Interaksjonen trenger ikke være virtuell. Den kan også være fysisk.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Ta for eksempel dette helikopteret.

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

Det forsøker å sveve på et bestemt sted i rommet.

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

Dersom jeg forsøker å flytte det vekk, stritter den i mot.

and moves back to where it wants to be.

Det flytter seg tilbake der den vil være.

We can change this behavior, however.

Vi kan riktignok forandre denne oppførselen.

We can use mathematical models

Vi kan benytte matematiske modeller

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

for å anslå kraften som jeg påfører helikopteret.

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

Når vi vet om denne kraften kan vi også endre fysikkens lover,

as far as the quad is concerned, of course.

for alt helikopteret vet, naturligvis.

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

Her oppfører helikopteret seg som om det

flyter i en tjukk væske.

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

Vi har nå en intim måte for

å oppnå interaksjon med maskinen.

I will use this new capability to position

Jeg skal benytte denne muligheten for å

this camera-carrying quad to the appropriate location

plassere dette kamera-helikopteret på en passelig plass

for filming the remainder of this demonstration.

slik at den kan filme resten av demonstrasjonen.

So we can physically interact with these quads

Vi kan altså fysisk påvirke disse maskinene

and we can change the laws of physics.

og vi kan endre fysikkens lover.

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

La oss ha det litt moro med dette.

For what you will see next,

I den neste delen vil disse helikopterne

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

opprinnelig oppføre seg som om de var på Pluto.

As time goes on, gravity will be increased

Etter hvert som tiden går vil tyngdekraften økes

until we're all back on planet Earth,

til vi er tilbake på jorden,

but I assure you we won't get there.

men jeg kan garantere at vi ikke kommer dit.

Okay, here goes.

Okay, da prøver vi.

(Laughter)

(Latter)

(Laughter)

(Latter)

(Applause)

(Applaus)

Whew!

Whew!

Dere tenker sikkert nå at

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

disse gutta har det alt for moro.

and you're probably also asking yourself,

Du spør sikkert også

why exactly are they building machine athletes?

hvorfor bygger vi disse maskinatletene?

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Noen påstår at lekens rolle i dyreriket

er å finpusse ferdigheter og utvikle evner.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Andre mener at det har en sosial rolle,

that it's used to bind the group.

at det binder gruppen sammen.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

På same måte bruker vi analogien med sport og atleter

to create new algorithms for machines

for å skape nye algoritmer for maskiner

to push them to their limits.

og presse de til grensene deres.

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

Hvor kraftig vil maskiners hurtighet påvirke vår levemåte?

Like all our past creations and innovations,

På samme måte som tidligere oppfinnelser og innovasjoner

they may be used to improve the human condition

kan de brukes for å forbedre menneskets tilstand

or they may be misused and abused.

eller bli misbrukt og utnyttet.

This is not a technical choice we are faced with;

Det er ikke teknisk valg vi står ovenfor;

it's a social one.

det er et sosialt.

Let's make the right choice,

La oss ta det riktige valget.

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

Valget som bringer det beste ut av maskinenes fremtid

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

på samme måte som atletiske ferdigheter

i sport bringer frem det beste i oss.

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

La meg introdusere dere for tryllemennene bak det grønne teppet.

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

De er nåværende medlemmer av forskningsteamet the 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 and Robin Ritz.

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

Hold et øye med dem. De er ment for store ting.

Takk.

Thank you.

(Applause)

(Applaus)