The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Tradutor: Carlos Espírito Santo Revisora: Margarida Ferreira

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

O que significa para uma máquina ser atlética?

We will demonstrate the concept of machine athleticism

Nós iremos demonstrar o conceito de agilidade na máquina

and the research to achieve it

e a investigação para o conseguir

with the help of these flying machines called quadrocopters,

com a ajuda destas máquinas voadoras chamadas quadricópteros,

or quads, for short.

ou "quads", abreviando.

Quads have been around for a long time.

Os "quads" já existem há bastante tempo.

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

A razão de serem tão populares hoje em dia

é serem mecanicamente simples.

By controlling the speeds of these four propellers,

Controlando a velocidade destas quatro hélices,

these machines can roll, pitch, yaw,

estas máquinas podem rodar, inclinar, guinar,

and accelerate along their common orientation.

e acelerar na orientação comum.

On board are also a battery, a computer,

A bordo estão 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 a sua agilidade tem um custo.

They are inherently unstable,

Eles são naturalmente instáveis, e precisam de alguma forma

and they need some form of automatic feedback control

de um controlo automático de resposta para poderem voar.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Então, como é que ele fez isto?

Cameras on the ceiling and a laptop

Câmaras no teto e um portátil

serve as an indoor global positioning system.

servem como um sistema de posicionamento global de interior.

It's used to locate objects in the space

É usado para localizar objetos no espaço

that have these reflective markers on them.

que tenham marcas refletoras

This data is then sent to another laptop

Estes dados são então enviados para outro portátil

that is running estimation and control algorithms,

que está a executar algoritmos de estimativa e controlo

which in turn sends commands to the quad,

que, por sua vez, envia comandos para o "quad",

which is also running estimation and control algorithms.

que também está a executar algoritmos de estimativa e controlo.

The bulk of our research is algorithms.

A maior parte da nossa investigação são os algoritmos.

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

São a magia que dá vida a estas máquinas.

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

Como desenhar algoritmos

que criam uma máquina-atleta?

We use something broadly called model-based design.

Usamos algo genericamente designado por desenho baseado em modelos.

We first capture the physics

Primeiro, captamos a física com um modelo matemático

with a mathematical model of how the machines behave.

de como a máquina se comporta.

We then use a branch of mathematics called control theory

Depois usamos um ramo da matemática

designado "teoria de controlo" para analisar estes modelos

to analyze these models

and also to synthesize algorithms for controlling them.

e também para desenvolver algoritmos para os controlar.

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 captamos a dinâmica

com um conjunto de equações diferenciais.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Depois manipulamos essas equações com a ajuda da teoria de controlo

to create algorithms that stabilize the quad.

para criar algoritmos que estabilizam o "quad".

Let me demonstrate the strength of this approach.

Deixem-me demonstrar o poder desta abordagem.

Suppose that we want this quad to not only hover

Suponham que queremos que este "quad" não paire apenas

but to also balance this pole.

mas que balance este bastão.

With a little bit of practice,

Com alguma prática,

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

é muito simples para um ser humano fazer isto,

embora tenhamos a vantagem

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

de ter os dois pés no chão

e o uso das nossas mãos muito versáteis.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Torna-se um pouco mais difícil

when I only have one foot on the ground

quando só tenho um pé no chão

and when I don't use my hands.

e quando não uso as minhas mãos.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Reparem que o bastão tem uma marca refletora no topo,

which means that it can be located in the space.

que lhe permite ser localizado no espaço.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Aplausos)

(Applause ends)

You can notice that this quad is making fine adjustments

Podem verificar que este "quad" está a fazer ligeiros ajustes

to keep the pole balanced.

para manter o bastão equilibrado.

How did we design the algorithms to do this?

Como desenhámos o algoritmo para fazer isto?

We added the mathematical model of the pole

Acrescentámos o modelo matemático do bastão ao do "quad".

to that of the quad.

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

Depois de termos um modelo do sistema "quad"-bastão

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

podemos usar a teoria de controlo para criar algoritmos.

Here, you see that it's stable,

Aqui, veem que está estável,

and even if I give it little nudges,

e mesmo que dê alguns toques,

it goes back --

ele regressa à posição equilibrada.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Também podemos aumentar o modelo e incluir

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

em que ponto do espaço queremos o "quad".

Using this pointer, made out of reflective markers,

Usando este ponteiro, feito de marcas refletoras,

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

posso indicar o ponto do espaço onde quero que o "quad" esteja

a fixed distance away from me.

a uma dada distância 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

criados com a ajuda de modelos matemáticos

and control theory.

e teoria de controlo.

Let's tell the quad to come back here

Vamos dizer ao "quad" que volte aqui

and let the pole drop,

e deixe cair o bastão

and I will next demonstrate the importance

e a seguir vou demonstrar a importância

de se perceberem os 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.

Reparem como o "quad" perdeu altitude

quando lhe coloquei este copo de água.

Unlike the balancing pole,

Ao contrário do bastão,

I did not include the mathematical model of the glass

eu não incluí o modelo matemático do copo no sistema.

in the system.

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

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

Como antes, 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.

em que ponto do espaço quero que esteja.

(Applause)

(Aplausos)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Bem, devem estar a questionar-se:

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

"Porque é que a água não cai do copo?"

Two facts.

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

Dois factos: o primeiro, é que a gravidade

atua em todos os objetos do mesmo modo.

The second is that the propellers

O segundo, é que as hélices apontam todas

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

na mesma direção do copo, para cima.

You put these two things together,

Juntando estes dois factos, o resultado é que

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

todas a forças laterais no copo são reduzidas

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

e são essencialmente controladas pelos efeitos aerodinâmicos,

which at these speeds are negligible.

que, a estas velocidades, são menosprezáveis.

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

E é por isso que não é preciso o modelo do copo.

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

Ele naturalmente não entorna, faça o "quad" o que fizer.

(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 que, percebendo a física do problema,

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

podemos saber quais são fáceis e quais são difíceis

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

Neste momento, transportar um copo de água é fácil.

Balancing a pole is hard.

Equilibrar um bastão é difícil.

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

Todos ouvimos histórias de atletas

que realizam feitos estando lesionados.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Pode uma máquina funcionar

com um dano físico extremo?

Conventional wisdom says

O bom senso diz que são necessárias

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

pelo menos quatro pares de hélices fixas para se poder voar,

because there are four degrees of freedom to control:

porque há quatro graus de liberdade a controlar:

roll, pitch, yaw and acceleration.

rotação, inclinação, guinada e aceleração.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Os hexacópteros e os octocópteros, com seis e oito hélices,

can provide redundancy,

podem ter redundância,

but quadrocopters are much more popular

mas os quadricópteros são muito mais populares

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

porque têm o número mínimo

de pares de hélices fixas: quatro.

Or do they?

Ou não?

(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 duas hélices a funcionar,

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

descobrimos que há uma forma não convencional de ele voar.

We relinquish control of yaw,

Prescindimos do controlo de guinada,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

mas a rotação, inclinação e aceleração podem ainda ser controladas

with algorithms that exploit this new configuration.

com algoritmos que exploram esta nova configuração.

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

Os modelos matemáticos dizem-nos exatamente

quando e porque é que isto é possível.

In this instance, this knowledge allows us to design

Neste momento, este conhecimento permite-nos desenhar

novel machine architectures

novas arquiteturas para as máquinas

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

ou desenhar algoritmos mais espertos que gerem graciosamente os estragos,

just like human athletes do,

tal como fazem os atletas humanos,

instead of building machines with redundancy.

em vez de construirmos máquinas com redundância.

We can't help but hold our breath

Não evitamos suster a respiração quando observamos

when we watch a diver somersaulting into the water,

um mergulhador saltar para a água

or when a vaulter is twisting in the air,

ou quando um saltador rodopia no ar,

com o chão a aproximar-se rapidamente.

the ground fast approaching.

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

Conseguirá o mergulhador fazer uma boa entrada?

Will the vaulter stick the landing?

Conseguirá o saltador aterrar em pé?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Suponham que queremos que este "quad"

execute uma cambalhota tripla

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

e termine exatamente no ponto em que começou.

This maneuver is going to happen so quickly

Esta manobra será tão rápida

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

que não conseguimos usar "feedback" de posição

para corrigir o movimento durante a execução.

There simply isn't enough time.

Simplesmente não há tempo suficiente.

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

Em vez disso, o que o "quad" pode fazer é executar a manobra às cegas,

observe how it finishes the maneuver,

verificar como termina a manobra,

and then use that information to modify its behavior

e usar essa informação para modificar o seu comportamento

so that the next flip is better.

para que a próxima cambalhota seja melhor.

Similar to the diver and the vaulter,

Tal como o mergulhador e o saltador

it is only through repeated practice

é apenas através de prática repetida

that the maneuver can be learned and executed

que a manobra pode ser aprendida e executada

to the highest standard.

ao mais alto nível.

(Laughter)

(Applause)

(Aplausos)

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

Atingir uma bola em movimento

é uma habilidade necessária em muitos desportos.

How do we make a machine do

Como conseguimos que uma máquina

what an athlete does seemingly without effort?

faça o que um atleta faz aparentemente sem esforço?

(Laughter)

(Applause)

(Aplausos)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Este "quad" tem uma raqueta presa no topo

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

com um ponto central quase do tamanho de uma maçã, não muito grande.

The following calculations are made every 20 milliseconds,

Estes cálculos são feitos cada 20 milissegundos,

or 50 times per second.

ou 50 vezes por segundo.

We first figure out where the ball is going.

Primeiro, descobrimos a trajetória da bola.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Depois, calculamos como o "quad" deve bater a bola

para que ela voe para o local de onde foi lançada.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Terceiro, é planeada uma trajetória que leva o "quad"

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

do seu estado atual ao ponto de impacto com a bola.

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

Quarto, só executamos 20 milissegundos dessa estratégia.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Vinte milissegundos depois, 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 não executam apenas manobras dinâmicas sozinhas,

they can do it collectively.

podem fazê-lo em conjunto.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Estes três "quads" transportam cooperativamente uma rede.

(Applause)

(Aplausos)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Eles executam uma manobra

extremamente dinâmica e coletiva

to launch the ball back to me.

para me devolverem a bola.

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

Reparem que, na extensão máxima, estes "quads" estão na vertical.

(Applause)

(Aplausos)

In fact, when fully extended,

De facto, na extensão máxima,

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

é cerca de cinco vezes mais do que um "bungee jumper" sente

at the end of their launch.

no fim do seu 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 usado por um único "quad" para me devolver a bola.

Mathematical models are used to continuously re-plan

São usados modelos matemáticos para replanear continuamente

a cooperative strategy 50 times per second.

uma estratégia cooperativa 50 vezes por segundo.

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

Tudo o que vimos até agora

foi sobre as máquinas e suas capacidades.

What happens when we couple this machine athleticism

O que sucede quando ligamos a agilidade desta máquina

with that of a human being?

à de um ser humano?

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

O que tenho aqui é um sensor comercial de gestos

mainly used in gaming.

usado essencialmente nos jogos.

It can recognize what my various body parts

Pode reconhecer o que as várias partes do meu corpo

are doing in real time.

fazem em tempo real.

Similar to the pointer that I used earlier,

Tal como o ponteiro que usei antes,

we can use this as inputs to the system.

podemos usar este como entrada para o sistema.

We now have a natural way of interacting

Temos assim uma forma natural de interagir

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

com a agilidade destes "quads" através dos meus gestos.

(Applause)

(Aplausos)

Interaction doesn't have to be virtual.

A interação não tem que ser virtual. Pode ser física.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Considerem este "quad", por exemplo.

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

Está a tentar manter-se num ponto fixo no espaço.

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

Se eu tentar deslocá-lo, ele contraria-me.

and moves back to where it wants to be.

e regressa ao ponto onde quer estar.

We can change this behavior, however.

Podemos, porém, alterar este 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 aplico a este "quad".

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

Uma vez conhecida esta força, podemos alterar as leis da física

as far as the quad is concerned, of course.

no que diz respeito ao "quad", claro.

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

Agora o "quad" comporta-se como se estivesse

num fluido viscoso.

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

Temos agora um modo profundo

de interagir com uma máquina.

I will use this new capability to position

Usarei esta nova capacidade para posicionar

this camera-carrying quad to the appropriate location

este "quad" com câmara no local apropriado

for filming the remainder of this demonstration.

para filmar o resto desta demonstração.

So we can physically interact with these quads

Então 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 divertir-nos um pouco com isto.

For what you will see next,

No que vão ver a seguir, estes "quads"

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

vão primeiro comportar-se como se estivessem em Plutão.

As time goes on, gravity will be increased

Ao longo do tempo, a gravidade vai ser aumentada

until we're all back on planet Earth,

até regressarmos todos ao planeta Terra.

but I assure you we won't get there.

mas garanto-vos que não chegaremos lá.

Okay, here goes.

Ok, aqui vai.

(Laughter)

(Risos)

(Laughter)

(Risos)

(Applause)

(Aplausos)

Whew!

Ufa!

You're all thinking now,

Neste momento, estão todos a pensar:

these guys are having way too much fun,

"Este tipos têm diversão a mais",

and you're probably also asking yourself,

e estão talvez a questionar-se:

why exactly are they building machine athletes?

"Porque estão a construir máquinas-atletas?"

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Alguns conjeturam que o papel do jogo no reino animal

é aperfeiçoar habilidades e desenvolver capacidades.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Outros pensam que tem uma função mais social,

that it's used to bind the group.

que é usada para unir o grupo.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

De igual modo, usamos a analogia do desporto e da agilidade

to create new algorithms for machines

para criar algoritmos para as máquinas,

to push them to their limits.

para as levar aos seus limites.

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

Que impacto terá a rapidez das máquinas no nosso modo de vida?

Like all our past creations and innovations,

Tal como as nossas criações e inovações do passado,

they may be used to improve the human condition

podem ser usadas para melhorar a condição humana

or they may be misused and abused.

ou podem ser usadas de modo errado ou abusivo.

This is not a technical choice we are faced with;

A escolha que enfrentamos não é técnica, mas social.

it's a social one.

Let's make the right choice,

Façamos a opção correta,

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

a opção que revela o melhor no futuro das máquinas,

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

tal como a agilidade no desporto

pode revelar o melhor em nós.

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

Deixem-me apresentar-vos os feiticeiros por detrás da cortina verde.

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

São os atuais membros da equipa de investigação Arena das Máquinas Voadoras

(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.

Olhem para eles. Estão destinados a grandes feitos.

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)