The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Raffaello D'Andrea: O assombroso poder atlético dos quadricópteros

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Tradutor: Isabel Villan Revisor: Wanderley Jesus

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

Bem, o que significa para uma máquina ser atlética?

Demonstraremos o conceito de atletismo da máquina

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

e a pesquisa para alcançá-lo

with the help of these flying machines called quadrocopters,

com o auxílio destas máquinas voadoras, chamadas quadricópteros,

or quads, for short.

ou, na abreviação, 'quads'.

Quads have been around for a long time.

Os 'quads' têm estado por aí durante um longo tempo.

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

A razão por que eles são tão populares hoje

é que são mecanicamente simples.

By controlling the speeds of these four propellers,

Controlando as velocidades destes quatro propulsores,

these machines can roll, pitch, yaw,

estas máquinas podem rolar, arfar, guinar

and accelerate along their common orientation.

e acelerar junto com uma orientação comum.

On board are also a battery, a computer,

A bordo, há também uma bateria, um computador,

various sensors and wireless radios.

vários sensores e rádios sem fio.

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

Os 'quads' são extremamente ágeis, mas essa agilidade tem um custo.

They are inherently unstable,

Eles são inerentemente instáveis e precisam de alguma forma

and they need some form of automatic feedback control

de controle automático de retroalimentação para que sejam capazes de voar.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Então, como ele fez isso?

Cameras on the ceiling and a laptop

Câmeras no teto e um laptop

serve as an indoor global positioning system.

atuam como um sistema interno de posicionamento global.

É usado para localizar, no espaço, objetos

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

que têm estes marcadores refletivos neles.

This data is then sent to another laptop

Esses dados são enviados para outro laptop

that is running estimation and control algorithms,

que está calculando estimativas e algoritmos de controle,

which in turn sends commands to the quad,

e, por sua vez, envia comandos para o 'quad',

which is also running estimation and control algorithms.

que também está calculando estimativas e algoritmos de controle.

The bulk of our research is algorithms.

O foco de nossa pesquisa são os algoritmos.

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

É a mágica que dá vida para estas máquinas.

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

Então, como alguém projeta os algoritmos

que criam a máquina atleta?

We use something broadly called model-based design.

Usamos algo amplamente chamado de projeto baseado no modelo.

We first capture the physics

Primeiro capturamos a física com um modelo matemático

with a mathematical model of how the machines behave.

de como as máquinas se comportam.

We then use a branch of mathematics called control theory

A seguir, usamos um ramo da matemática

chamado teoria do controle para analisar esses modelos

to analyze these models

e também para sintetizar algoritmos para controlá-las.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Por exemplo, é assim que podemos fazer o 'quad' pairar.

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

Primeiro capturamos a dinâmica

com um conjunto de equações diferenciais.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Então, trabalhamos essas equações com o auxílio

da teoria do controle para criar algoritmos que estabilizam o 'quad'.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Permitam-me demonstrar o poder desta abordagem.

Suppose that we want this quad to not only hover

Suponha que queiramos que este 'quad' não só paire

but to also balance this pole.

mas também equilibre esta haste.

With a little bit of practice,

Com um pouco de prática,

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

é bem simples para um ser humano fazer isso,

mesmo porque temos a vantagem de ter

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

dois pés no chão

e usar nossas mãos muito versáteis.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Fica um pouquinho mais difícil

when I only have one foot on the ground

quando eu tenho só um pé no chão

and when I don't use my hands.

e quando não uso minhas mãos.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Note que esta haste tem um marcador refletivo no topo,

which means that it can be located in the space.

o que significa que ela pode ser localizada no espaço.

(Audience) Oh!

(Aplausos)

(Applause)

(Applause ends)

Vocês podem observar que este 'quad' está fazendo ajustes mínimos

You can notice that this quad is making fine adjustments

para manter a haste equilibrada.

to keep the pole balanced.

Como projetamos os algoritmos para fazer isso?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Acrescentamos o modelo matemático da haste

to that of the quad.

ao do 'quad'.

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

Quando temos um modelo do sistema combinado da haste e do 'quad',

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

podemos usar a teoria do controle para criar algoritmos para controlá-lo.

Here, you see that it's stable,

Aqui, você vê que ele está estável,

and even if I give it little nudges,

e, mesmo que haja pequenos deslocamentos,

it goes back --

ele volta para a posição de equilíbrio.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Podemos também aumentar o modelo para incluir

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

onde queremos que o 'quad' esteja no espaço.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Usando este ponteiro, feito de marcadores refletivos,

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

posso apontar para onde quero que o 'quad' esteja no espaço,

a fixed distance away from me.

a uma distância fixa de mim.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

A chave para estas manobras acrobáticas são os algoritmos,

designed with the help of mathematical models

projetados com a ajuda de modelos matemáticos

and control theory.

e teoria do controle.

Let's tell the quad to come back here

Vamos dizer ao 'quad' que volte aqui

and let the pole drop,

e deixe a haste cair,

and I will next demonstrate the importance

e, a seguir, demonstrarei a importância

de entender modelos físicos

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

e o funcionamento do mundo físico.

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

Observem como o 'quad' perdeu altitude

quando coloquei este copo de água nele.

Unlike the balancing pole,

Diferente da haste equilibrada, não incluí

I did not include the mathematical model of the glass

o modelo matemático do copo no sistema.

in the system.

De fato, o sistema nem mesmo sabe que o copo de água está lá.

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

Como antes, eu posso usar o ponteiro para dizer ao 'quad'

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

where I want it to be in space.

onde quero que ele esteja no espaço.

(Aplausos)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Ok, vocês devem estar se perguntando:

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

por que a água não cai do copo?

Two facts.

Dois fatores: o primeiro é que a gravidade age

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

em todos os objetos da mesma maneira.

The second is that the propellers

O segundo é que os propulsores estão todos apontando

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

para a mesma direção que o copo, apontando para cima.

You put these two things together,

Você coloca essas duas coisas juntas, o resultado líquido

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

é que todas as forças laterais no copo são pequenas

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

e estão dominadas principalmente pelos efeitos aerodinâmicos,

which at these speeds are negligible.

que nestas velocidades são insignificantes.

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

E é por isso que você não precisa modelar o copo.

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

Ele naturalmente não derrama, não importa o que o 'quad' faça.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Aplausos)

(Applause ends)

The lesson here

A lição aqui é que algumas tarefas de alto desempenho

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

são mais fáceis que outras,

and that understanding the physics of the problem

e entender a física do problema

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

mostra quais são fáceis e quais são difíceis.

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

Neste exemplo, carregar um copo de água é fácil.

Balancing a pole is hard.

Equilibrar uma haste é difícil.

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

Todos nós ouvimos histórias de atletas

executando proezas quando estão fisicamente machucados.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Uma máquina também pode manter o desempenho

com dano físico extremo?

Conventional wisdom says

A sabedoria convencional diz que você precisa de,

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

no mínimo, quatro motores propulsores para voar,

because there are four degrees of freedom to control:

porque há quatro graus de liberdade para controlar:

roll, pitch, yaw and acceleration.

rolagem, arfagem, guinada e aceleração.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Hexacópteros e octocópteros, com seis e oito propulsores,

can provide redundancy,

podem oferecer redundância,

but quadrocopters are much more popular

mas quadricópteros são muito mais populares

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

porque têm o número mínimo

de motores propulsores fixos: quatro.

Or do they?

Têm mesmo?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Se analisarmos o modelo matemático desta máquina

with only two working propellers,

com apenas dois propulsores funcionando,

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

descobriremos que há uma forma não convencional de fazê-la voar.

We relinquish control of yaw,

Abandonamos o controle da guinada,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

mas rolagem, arfagem e aceleração ainda podem ser controladas

with algorithms that exploit this new configuration.

com algoritmos que exploram essa nova configuração.

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

Os modelos matemáticos nos dizem exatamente quando

e por que isso é possível.

In this instance, this knowledge allows us to design

Neste exemplo, este conhecimento nos permite projetar

novel machine architectures

novas arquiteturas da máquina

ou projetar algoritmos espertos que sutilmente lidam com o dano,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

exatamente como os atletas humanos fazem,

instead of building machines with redundancy.

em vez de construir máquinas com redundância.

We can't help but hold our breath

Não conseguimos deixar de prender a respiração quando vemos

when we watch a diver somersaulting into the water,

um mergulhador dar saltos mortais rumo à água,

or when a vaulter is twisting in the air,

ou quando o saltador está girando no ar,

o chão se aproximando rápido.

the ground fast approaching.

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

O nadador conseguirá fazer uma boa entrada na água?

Will the vaulter stick the landing?

O saltador cairá em pé?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Suponha que queiramos que este 'quad' aqui

dê três voltas e termine

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

no exato local em que estava.

This maneuver is going to happen so quickly

Esta manobra vai acontecer tão rapidamente

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

que não dá para usar 'feedback' para corrigir o movimento durante a execução.

There simply isn't enough time.

Simplesmente não há tempo bastante.

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

Assim, o que o 'quad' pode fazer é realizar a manobra cegamente,

observe how it finishes the maneuver,

observe como ele finaliza a manobra,

and then use that information to modify its behavior

e então usa essa informação para modificar seu comportamento

so that the next flip is better.

para que a próxima volta seja melhor.

Similar to the diver and the vaulter,

Parecido com o nadador e o saltador,

it is only through repeated practice

é apenas através da prática repetida

that the maneuver can be learned and executed

que a manobra pode ser aprendida e executada

to the highest standard.

no mais alto padrão.

(Laughter)

(Applause)

(Aplausos)

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

Bater numa bola em movimento é uma habilidade necessária em muitos esportes.

Como fazemos uma máquina desempenhar

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

o que um atleta faz aparentemente sem esforço?

(Laughter)

(Aplausos)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Este 'quad' tem uma raquete presa em seu topo

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

com um ponto ideal do tamanho de uma maçã, portanto não muito grande.

Os cálculos a seguir são feitos a cada 20 milissegundos,

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

ou 50 vezes por segundo.

We first figure out where the ball is going.

Primeiro descobrimos aonde a bola está indo.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Então, a seguir, calculamos como o 'quad' deve atingir a bola

para que ela volte para onde ela foi atirada.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Terceiro, é calculada uma trajetória que leve o 'quad'

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

de seu ponto atual até o ponto de impacto com a bola.

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

Quatro, executamos somente 20 milissegundos dessa estratégia.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

20 milissegundos mais tarde, todo o processo é repetido

until the quad strikes the ball.

até que o 'quad' atinja a bola.

(Applause)

(Aplausos)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

As máquinas podem realizar manobras dinâmicas não apenas sozinhas

they can do it collectively.

mas também coletivamente.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Estes três 'quads' estão carregando em conjunto uma rede.

(Applause)

(Aplausos)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Eles realizam uma manobra

extremamente dinâmica e em conjunto

to launch the ball back to me.

para lançar a bola de volta para mim.

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

Observem que, com a rede completamente estendida, estes 'quads' estão na vertical.

(Applause)

(Aplausos)

In fact, when fully extended,

De fato, quando completamente estendida,

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

isso é cerca de cinco vezes maior do que a sensação de um 'bungee jump'

at the end of their launch.

no final do salto.

The algorithms to do this are very similar

Os algoritmos para fazer isto são muito semelhantes

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

ao que um único 'quad' usaria para mandar a bola de volta para mim.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Modelos matemáticos são usados para replanejar continuamente

a cooperative strategy 50 times per second.

uma estratégia conjunta 50 vezes por segundo.

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

Tudo que vimos até agora foi

sobre as máquinas e suas capacidades.

What happens when we couple this machine athleticism

O que acontece quando emparelhamos o atletismo desta máquina

with that of a human being?

com aquele do ser humano?

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

O que tenho diante de mim é um sensor de movimentos comercial,

mainly used in gaming.

usado principalmente em jogos.

It can recognize what my various body parts

Ele pode reconhecer o que várias partes do meu corpo

are doing in real time.

estão fazendo em tempo real.

Similar to the pointer that I used earlier,

Parecido com o ponteiro que usei antes,

we can use this as inputs to the system.

podemos usar isso para enviar informações ao sistema.

We now have a natural way of interacting

Agora temos uma forma natural de interagir

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

com o atletismo destes 'quads' com meus movimentos.

(Applause)

(Aplausos)

A interação não tem que ser virtual. Ela pode ser física.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Veja este 'quad', por exemplo.

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

Está tentando permanecer em um ponto fixo no espaço.

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

Se tento tirá-lo do caminho, ele compete comigo,

and moves back to where it wants to be.

e se move de volta para onde quer estar.

We can change this behavior, however.

Entretanto, podemos modificar esse comportamento.

We can use mathematical models

Podemos usar modelos matemáticos

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

para estimar a força que estou aplicando no 'quad'.

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

Quando conhecemos essa força, podemos também mudar as leis da física,

as far as the quad is concerned, of course.

no que toca ao 'quad', claro.

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

Aqui o 'quad' está se comportando como se estivesse

em um fluido viscoso.

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

Agora temos uma maneira familiar

de interagir com uma máquina.

I will use this new capability to position

Vou usar essa nova capacidade para posicionar

this camera-carrying quad to the appropriate location

este 'quad', que carrega uma câmera, no local adequado

for filming the remainder of this demonstration.

para filmar o restante desta demonstração.

So we can physically interact with these quads

Assim podemos interagir fisicamente com estes 'quads'

and we can change the laws of physics.

e podemos alterar as leis da física.

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

Vamos nos divertir um pouquinho com isto.

For what you will see next,

Para o que verão a seguir, estes 'quads'

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

inicialmente vão se comportar como se estivessem em Plutão.

As time goes on, gravity will be increased

À medida que o tempo passa, a gravidade será aumentada

until we're all back on planet Earth,

até que estejamos de volta ao planeta Terra,

but I assure you we won't get there.

mas asseguro que não chegaremos lá.

Okay, here goes.

Ok, lá vai.

(Laughter)

(Risadas)

(Laughter)

(Risadas)

(Applause)

(Aplausos)

Whew!

Ufa!

Agora estão todos pensando:

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

esses caras estão se divertindo demais,

and you're probably also asking yourself,

e também, provavelmente, estão se perguntando:

why exactly are they building machine athletes?

exatamente por que estão construindo máquinas atletas?

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Alguns presumem que o papel dos jogos no mundo animal

é aprimorar habilidades e desenvolver capacidades.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Outros acham que tem mais a ver com o papel social,

that it's used to bind the group.

que são usados para unir o grupo.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

De forma similar, usamos a analogia dos esportes e do atletismo

to create new algorithms for machines

para criar novos algoritmos para máquinas

to push them to their limits.

a fim de levá-las ao limite.

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

Que impacto terá a velocidade das máquinas em nosso modo de vida?

Like all our past creations and innovations,

Como todas nossas criações e inovações passadas,

they may be used to improve the human condition

elas podem ser usadas para melhorar a condição humana

or they may be misused and abused.

ou podem ser mal usadas ou se tornar abusos.

This is not a technical choice we are faced with;

Esta não é uma escolha técnica que enfrentamos;

it's a social one.

é uma escolha social.

Let's make the right choice,

Façamos a escolha certa,

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

a escolha que traga o melhor no futuro das máquinas,

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

exatamente como, nos esportes, o atletismo

pode revelar o melhor em nós.

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

Permitam-me apresentar os magos atrás da cortina verde.

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

Eles são os membros atuais da equipe de pesquisa Flying Machine Arena.

(Applause)

(Aplausos)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller e Robin Ritz.

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

Olho neles. Estão destinados a grandes coisas.

Obrigado.

Thank you.

(Applause)

(Aplausos)