The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Tłumaczenie: Daniel Szymanek Korekta: Dorota Konowrocka

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

Co to znaczy, że maszyna jest wysportowana?

Zaprezentujemy ideę wysportowanych maszyn

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

i stan badań nad nimi

with the help of these flying machines called quadrocopters,

przy pomocy latających maszyn

or quads, for short.

zwanych kwadrokopterami.

Quads have been around for a long time.

Są znane od dawna,

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

a ostatnio bardzo popularne,

bo są proste w budowie.

By controlling the speeds of these four propellers,

Kontrolując szybkość czterech śmigieł,

these machines can roll, pitch, yaw,

mogą wzbijać się, spadać, kręcić

and accelerate along their common orientation.

i przyspieszać w danym kierunku.

On board are also a battery, a computer,

Mają baterię, komputer,

various sensors and wireless radios.

czujniki i bezprzewodowe odbiorniki.

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

Kwadrokoptery są zwinne, ale pewnym kosztem.

They are inherently unstable,

Są z natury niestabilne, więc potrzebują

and they need some form of automatic feedback control

pomocy automatów, żeby latać.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Jak on to zrobił?

Cameras on the ceiling and a laptop

Kamery na suficie i laptop

serve as an indoor global positioning system.

działają jako system pozycyjny.

Używamy go do lokalizowania obiektów,

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

mających odblaskowe wskaźniki.

This data is then sent to another laptop

Dane wysyłane są do laptopa,

that is running estimation and control algorithms,

przeliczającego algorytmy szacujące i sterujące,

which in turn sends commands to the quad,

który wysyła polecenia do maszyny,

which is also running estimation and control algorithms.

która także prowadzi obliczenia.

The bulk of our research is algorithms.

Badamy głównie algorytmy.

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

To magia pobudzająca maszyny do życia.

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

Jak napisać algorytm

który stworzy maszynę-sportowca?

We use something broadly called model-based design.

Używamy projektowania opartego na wzorcach.

We first capture the physics

Ujmujemy modelem matematycznym

with a mathematical model of how the machines behave.

zachowanie danej maszyny.

We then use a branch of mathematics called control theory

Posługując się teorią sterowania,

analizujemy wzorce

to analyze these models

i opracowujemy algorytmy sterujące.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Tak powodujemy uniesienie się maszyny.

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

Opisaliśmy dynamikę ruchu

zestawem równań różniczkowych.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Przekształciliśmy je z pomocą teorii sterowania,

by stworzyć algorytmy stabilizujące.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Pokażę zalety tej metody.

Suppose that we want this quad to not only hover

Maszyna ma nie tylko unieść się,

but to also balance this pole.

ale i utrzymać tyczkę w równowadze.

With a little bit of practice,

Przy odrobinie ćwiczeń,

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

człowiekowi przychodzi to dość łatwo,

chociaż my mamy przewagę

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

stania na dwóch nogach

and the use of our very versatile hands.

i dużej zręczności rąk.

It becomes a little bit more difficult

Trudność pojawia się,

when I only have one foot on the ground

gdy stoję na jednej nodze

and when I don't use my hands.

i nie używam rąk.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Na szczycie tyczki jest odblaskowy znacznik,

which means that it can be located in the space.

pozwalający ją zlokalizować w przestrzeni.

(Audience) Oh!

(Brawa)

(Applause)

(Applause ends)

Maszyna wprowadza korekty,

You can notice that this quad is making fine adjustments

by utrzymać tyczkę w równowadze.

to keep the pole balanced.

Jak zaprojektowaliśmy te algorytmy?

How did we design the algorithms to do this?

Dodaliśmy model matematyczny tyczki

We added the mathematical model of the pole

to that of the quad.

do modelu maszyny.

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

Mając połączony model maszyny i tyczki,

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

wykorzystujemy teorię sterowania, by stworzyć algorytm sterujący.

Here, you see that it's stable,

Maszyna jest stabilna,

and even if I give it little nudges,

nawet jeśli ją trącam,

it goes back --

powraca do swojej pozycji.

to the nice, balanced position.

Możemy uzupełnić model o wskazówki,

We can also augment the model

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

gdzie ma się znaleźć w przestrzeni.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Dzięki wskaźnikowi z odblaskowych znaczników

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

mogę wskazać, gdzie chcę umieścić maszynę

a fixed distance away from me.

w określonej odległości ode mnie.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Kluczem do tych akrobacji jest algorytm,

designed with the help of mathematical models

stworzony przy pomocy modeli matematycznych

and control theory.

i teorii sterowania.

Let's tell the quad to come back here

Każmy maszynie wrócić

and let the pole drop,

i upuścić tyczkę.

and I will next demonstrate the importance

Zademonstruję znaczenie

zrozumienia modeli fizycznych

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

i działania fizyki w praktyce.

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

Maszyna straciła wysokość,

gdy postawiłem na niej szklankę wody.

Unlike the balancing pole,

Nie uwzględniłem w systemie

I did not include the mathematical model of the glass

modelu matematycznego szklanki wody.

in the system.

System nie wie nawet, że szklanka tam jest.

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

Mogę użyć wskaźnika, żeby wskazać maszynie

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

where I want it to be in space.

gdzie ma się znaleźć.

(Brawa)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Pewnie jesteście ciekawi,

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

dlaczego woda się nie wylewa?

Two facts.

Dwie sprawy: grawitacja oddziałuje

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

na wszystkie przedmioty tak samo.

The second is that the propellers

Po drugie, śmigła są skierowane w górę,

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

w stronę szklanki.

You put these two things together,

W rezultacie okazuje się,

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

że siły działające na szklankę z boku są małe

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

i zrównoważone przez wpływ aerodynamiki,

which at these speeds are negligible.

i można je pominąć.

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

Dlatego nie trzeba modelować szklanki.

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

Woda się nie wyleje, niezależnie od ruchów maszyny.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Brawa)

(Applause ends)

The lesson here

Pewne skomplikowane zadania

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

są łatwiejsze od innych.

and that understanding the physics of the problem

Zrozumienie fizyki problemu

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

wyjaśnia, które zadania są łatwe, a które trudne.

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

Trzymanie szklanki jest łatwe.

Balancing a pole is hard.

Utrzymywanie tyczki jest trudne.

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

Słyszeliśmy historie o sportowcach

dokonujących wyczynów mimo obrażeń.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Czy maszyna też może działać

przy dużym fizycznym uszkodzeniu?

Conventional wisdom says

Rozsądek podpowiada, że potrzeba przynajmniej

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

czterech działających śmigieł do latania,

ponieważ do kontrolowania są cztery parametry:

because there are four degrees of freedom to control:

roll, pitch, yaw and acceleration.

obrót, kołysanie się, odchylenie i przyspieszenie.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Heksakoptery i oktokoptery z 6 i 8 śmigłami

can provide redundancy,

mają nadmiarowe śmigła,

but quadrocopters are much more popular

ale kwadrokoptery są popularniejsze,

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

bo mają minimalną liczbę

śmigieł do latania: cztery.

Or do they?

Czyżby?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Analizując model matematyczny tej maszyny

with only two working propellers,

z tylko dwoma działającymi śmigłami

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

odkryliśmy nietypowy sposób, by mogła latać.

We relinquish control of yaw,

Rezygnujemy z kontroli odchylenia,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

ale nadal można sterować obrotem, kołysaniem i przyspieszeniem

with algorithms that exploit this new configuration.

dzięki algorytmom wykorzystującym nową konfigurację.

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

Modele wyjaśniają dokładnie,

kiedy i dlaczego jest to możliwe.

In this instance, this knowledge allows us to design

Ta wiedza pozwala nam projektować

novel machine architectures

nowatorską architekturę maszyn

i inteligentne algorytmy, które radzą sobie z uszkodzeniami

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

jak ludzcy sportowcy.

instead of building machines with redundancy.

zamiast budować maszyny z nadmiarowymi elementami.

We can't help but hold our breath

Zapiera nam dech w piersiach, gdy widzimy

when we watch a diver somersaulting into the water,

pływaka robiącego salto do wody

or when a vaulter is twisting in the air,

albo tyczkarza wirującego w powietrzu,

gdy ziemia szybko się zbliża.

the ground fast approaching.

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

Czy pływakowi uda się wbić w wodę?

Will the vaulter stick the landing?

Czy tyczkarz dobrze wyląduje?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Załóżmy, że ten kwadrokopter ma wykonać potrójny obrót

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

i wrócić na swoją pozycję.

This maneuver is going to happen so quickly

Taki manewr odbywa się tak szybko,

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

że nie można użyć pozycjonowania do kontroli ruchu.

There simply isn't enough time.

Nie ma na to czasu.

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

Kwadrokopter wykona więc manewr "na ślepo",

observe how it finishes the maneuver,

zidentyfikuje położenie

and then use that information to modify its behavior

i użyje tej informacji,

by kolejny obrót wyszedł lepiej.

so that the next flip is better.

Similar to the diver and the vaulter,

Zupełnie jak pływak i tyczkarz

it is only through repeated practice

trenują do perfekcji, by kolejna próba

that the maneuver can be learned and executed

została wykonana bezbłędnie.

to the highest standard.

(Laughter)

(Applause)

(Brawa)

Rzucanie piłką jest kluczową umiejętnością w wielu sportach.

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

How do we make a machine do

Jak nauczyć robota czynności,

what an athlete does seemingly without effort?

którą sportowiec wykonuje niemal bez wysiłku?

(Laughter)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Ten kwadrokopter ma rakietę przymocowaną na wierzchu

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

z punktem odbicia wielkości jabłka, więc niedużym.

The following calculations are made every 20 milliseconds,

Obliczenia są robione co 20 ms, czyli 50 razy na sekundę.

or 50 times per second.

We first figure out where the ball is going.

Najpierw określamy, gdzie leci piłka.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Potem obliczamy, jak robot powinien uderzyć,

so that it flies to where it was thrown from.

by piłka wróciła do punktu wyjścia.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Po trzecie, ustalana jest trajektoria,

która przenosi robota w miejsce odbicia piłki.

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

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

Po czwarte, wykonujemy tylko 20ms tej strategii

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Po 20 ms cały proces jest powtarzany

until the quad strikes the ball.

aż do momentu uderzenia piłki.

(Applause)

(Brawa)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Maszyny potrafią działać nie tylko w pojedynkę,

they can do it collectively.

mogą działać razem.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Te 3 kwadrokoptery wspólnie unoszą siatkę.

(Applause)

(Brawa)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Wykonują niebywale dynamiczny

wspólny manewr,

to launch the ball back to me.

by odrzucić mi piłkę.

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

Zwróćcie uwagę, że w punkcie kulminacyjnym

roboty są w pionie.

(Applause)

(Brawa)

In fact, when fully extended,

Wtedy też poddane są przeciążeniu

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

5 razy większemu niż w końcówce skoku na bungee.

at the end of their launch.

The algorithms to do this are very similar

Zastosowane algorytmy są bardzo podobne

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

do tych, które umożliwiają odbicie piłki.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Modele matematyczne służą

a cooperative strategy 50 times per second.

do ciągłej aktualizacji wspólnej strategii, 50 razy na sekundę.

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

Wszystko, co pokazałem,

dotyczyło robotów i ich zdolności.

What happens when we couple this machine athleticism

A jeżeli połączymy zwinność maszyn

with that of a human being?

ze zwinnością ludzi?

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

Mam przed sobą popularny czujnik gestów,

używany głównie podczas gier.

mainly used in gaming.

It can recognize what my various body parts

Rozpoznaje on "na żywo"

are doing in real time.

ruchy poszczególne części mojego ciała.

Similar to the pointer that I used earlier,

Podobnie jak wcześniejszy wskaźnik,

we can use this as inputs to the system.

może być użyty do wprowadzenia danych.

We now have a natural way of interacting

To naturalny sposób sterowania

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

manewrami maszyn przy pomocy gestów.

(Applause)

(Brawa)

Interakcja nie musi być wirtualna, może być fizyczna.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Spójrzmy na ten kwadrokopter.

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

Stara się utrzymać swoją pozycję.

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

Jeżeli nim poruszę, przeciwstawia mi się

and moves back to where it wants to be.

i wraca na swoje miejsce.

We can change this behavior, however.

Możemy to jednak zmienić.

We can use mathematical models

Przy pomocy modeli matematycznych

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

możemy oszacować siłę, jakiej używam.

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

Gdy ją znamy, możemy zmienić prawa fizyki

as far as the quad is concerned, of course.

Tylko dla robota, rzecz jasna.

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

Teraz kwadrokopter porusza się tak,

jakby znajdował się w lepkiej cieczy.

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

Mamy możliwość bliskiej interakcji

z maszyną.

I will use this new capability to position

Użyję tej możliwości, by ustawić

this camera-carrying quad to the appropriate location

robota z kamerą w dobrym miejscu

for filming the remainder of this demonstration.

do filmowania reszty prezentacji.

So we can physically interact with these quads

Możemy fizycznie wpływać na maszyny

and we can change the laws of physics.

i zmieniać prawa fizyki.

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

Zabawmy się.

For what you will see next,

Teraz zobaczycie, jak roboty zachowywałyby się

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

na Plutonie.

As time goes on, gravity will be increased

Z upływem czasu grawitacja będzie zwiększana,

until we're all back on planet Earth,

aż do osiągnięcia wartości ziemskiej,

but I assure you we won't get there.

ale zapewniam, że to się nie uda.

Okay, here goes.

Uwaga.

(Laughter)

(Śmiech)

(Laughter)

(Śmiech)

(Applause)

(Brawa)

Whew!

Uff!

Myślicie teraz,

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

że za dobrze się bawimy,

and you're probably also asking yourself,

i zadajecie sobie pytanie:

why exactly are they building machine athletes?

po co budować zwinne maszyny?

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Niektórzy sądzą, że rolą zwierzęcej zabawy

is to hone skills and develop capabilities.

jest doskonalenie umiejętności i zdolności.

Others think that it has more of a social role,

Inni myślą, że rozwój umiejętności społecznych,

that it's used to bind the group.

integrowanie grupy.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

Używamy analogii sportu i sprawności fizycznej

to create new algorithms for machines

do tworzenia nowych algorytmów dla maszyn,

to push them to their limits.

by przesunąć granice ich możliwości.

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

Jaki wpływ wywrze na nasze życie szybkość maszyn?

Like all our past creations and innovations,

Tak jak nasze poprzednie dzieła i innowacje,

they may be used to improve the human condition

mogą być użyte do poprawienia jakości życia

or they may be misused and abused.

lub użyte w złym celu.

This is not a technical choice we are faced with;

Nie stoimy przed problemem technicznym,

it's a social one.

lecz społecznym.

Let's make the right choice,

Podejmijmy właściwą decyzję,

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

która przyniesie nam pożytek z rozwoju maszyn,

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

tak jak sprawność fizyczna w sporcie

potrafi wydobyć z nas to, co najlepsze.

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

Przedstawię wam magików zza kurtyny.

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

To obecni członkowie zespołu badawczego Flying Machine Arena.

(Applause)

(Brawa)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller i Robin Ritz.

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

Jeszcze o nich usłyszycie. Są stworzeni do wielkich rzeczy.

Thank you.

Dziękuję!

(Applause)

(Brawa)