The Future of Flying Robots | Vijay Kumar | TED Talks

Переводчик: Tatiana Efremova Редактор: Aleks Teri

In my lab, we build autonomous aerial robots

В моей лаборатории строят автономных летающих роботов,

like the one you see flying here.

таких, как этот.

Unlike the commercially available drones that you can buy today,

В отличие от тех дронов, которых вы можете купить сегодня,

this robot doesn't have any GPS on board.

на нём не установлен GPS.

So without GPS,

Без GPS

it's hard for robots like this to determine their position.

таким роботам сложно определить своё местоположение.

This robot uses onboard sensors, cameras and laser scanners,

Этот робот использует бортовые сенсоры, камеры и лазерные сканеры

to scan the environment.

для анализа окружающей среды.

It detects features from the environment,

Он определяет особенности рельефа местности

and it determines where it is relative to those features,

и своё положение относительно них,

using a method of triangulation.

используя триангуляцию.

And then it can assemble all these features into a map,

А потом всё наносится на карту

like you see behind me.

вроде той, которая сейчас за мной.

And this map then allows the robot to understand where the obstacles are

И эта карта позволяет роботу понять, где находятся препятствия,

and navigate in a collision-free manner.

и ориентироваться без столкновений.

What I want to show you next

Дальше я хочу вам показать

is a set of experiments we did inside our laboratory,

серию экспериментов из нашей лаборатории,

where this robot was able to go for longer distances.

когда робот передвигался на более длинные расстояния.

So here you'll see, on the top right, what the robot sees with the camera.

Здесь, сверху справа — то, что робот видит с помощью камеры.

And on the main screen --

На основном экране —

and of course this is sped up by a factor of four --

конечно, видео ускорено в 4 раза —

on the main screen you'll see the map that it's building.

на основном экране карта, которую он выстраивает.

So this is a high-resolution map of the corridor around our laboratory.

Это карта с высоким разрешением коридора около нашей лаборатории.

And in a minute you'll see it enter our lab,

Вот он проникает в лабораторию,

which is recognizable by the clutter that you see.

что очевидно по беспорядку, который вы видите.

(Laughter)

(Смех)

But the main point I want to convey to you

Но главное здесь —

is that these robots are capable of building high-resolution maps

то, что эти роботы способны строить карты с высоким разрешением,

at five centimeters resolution,

до 5 сантиметров,

allowing somebody who is outside the lab, or outside the building

позволяя всем вне лаборатории или вне здания

to deploy these without actually going inside,

отправлять их, не входя за ними,

and trying to infer what happens inside the building.

и узнавать, что происходит внутри здания.

Now there's one problem with robots like this.

С такими роботами есть одна проблема.

The first problem is it's pretty big.

Первая — они достаточно большие.

И поэтому тяжёлые.

Because it's big, it's heavy.

And these robots consume about 100 watts per pound.

Этим роботам нужно около 100 Вт на каждые полкилограмма веса.

And this makes for a very short mission life.

А это сильно сокращает время их работы.

The second problem

Вторая проблема —

is that these robots have onboard sensors that end up being very expensive --

на этих роботах установлены сенсоры, оказавшиеся очень дорогими:

a laser scanner, a camera and the processors.

лазерный сканер, камера и процессоры.

That drives up the cost of this robot.

Это увеличивает стоимость робота.

So we asked ourselves a question:

И мы задались вопросом:

what consumer product can you buy in an electronics store

какой потребительский товар из тех, что продаются в магазинах электроники,

that is inexpensive, that's lightweight, that has sensing onboard and computation?

будет недорогим, лёгким и с сенсорами и процессорами на нём?

And we invented the flying phone.

Так мы изобрели летающий телефон.

(Laughter)

(Смех)

So this robot uses a Samsung Galaxy smartphone that you can buy off the shelf,

Этот робот использует смартфон Samsung Galaxy, его можете купить и вы,

and all you need is an app that you can download from our app store.

и к нему всё, что вам нужно, — загрузить наше приложение.

And you can see this robot reading the letters, "TED" in this case,

Видите, этот робот читает, в нашем случае слово «TED»,

looking at the corners of the "T" and the "E"

снимая углы букв «T» и «E»,

and then triangulating off of that, flying autonomously.

а затем выполняет триангуляцию по ним и движется автономно.

That joystick is just there to make sure if the robot goes crazy,

Джойстик нужен только для того, чтобы, если робот спятит,

Giuseppe can kill it.

его можно было прибить.

(Laughter)

(Смех)

In addition to building these small robots,

Кроме того, строя этих маленьких роботов,

we also experiment with aggressive behaviors, like you see here.

мы экспериментировали с вот таким агрессивным поведением.

So this robot is now traveling at two to three meters per second,

Этот робот движется со скоростью 2–3 м/с,

pitching and rolling aggressively as it changes direction.

агрессивно бросаясь из стороны в сторону.

The main point is we can have smaller robots that can go faster

Главное, что у нас могут быть маленькие быстрые роботы,

and then travel in these very unstructured environments.

способные двигаться в очень хаотичных средах.

And in this next video,

А в этом видео,

just like you see this bird, an eagle, gracefully coordinating its wings,

точно так же, как эта птица, орёл, которая изящно управляет своими крыльями,

its eyes and feet to grab prey out of the water,

глазами и лапами, чтобы выхватить жертву из воды,

our robot can go fishing, too.

наш робот тоже рыбачит.

(Laughter)

(Смех)

In this case, this is a Philly cheesesteak hoagie that it's grabbing out of thin air.

Здесь он на лету хватает сэндвич «Филадельфия».

(Laughter)

(Смех)

So you can see this robot going at about three meters per second,

Этот робот движется со скоростью 3 м/с,

which is faster than walking speed, coordinating its arms, its claws

это быстрее скорости пешехода, координирует свою клешню

and its flight with split-second timing to achieve this maneuver.

и свой полёт посекундно для того, чтобы выполнить этот манёвр.

In another experiment,

В другом эксперименте

I want to show you how the robot adapts its flight

робот в своём полёте

to control its suspended payload,

контролирует подвешенный груз —

whose length is actually larger than the width of the window.

а длина подвеса больше, чем ширина окна.

So in order to accomplish this,

Здесь ему нужно менять длину подвеса и высоту,

it actually has to pitch and adjust the altitude

and swing the payload through.

чтобы протащить груз.

But of course we want to make these even smaller,

Разумеется, мы хотели сделать их ещё меньше,

and we're inspired in particular by honeybees.

и особенно нас вдохновляли пчёлы.

So if you look at honeybees, and this is a slowed down video,

Вот замедленное видео с пчёлами:

they're so small, the inertia is so lightweight --

они так малы, их инерция так мала...

(Laughter)

(Смех)

that they don't care -- they bounce off my hand, for example.

что для них неважно, например, столкновение с моей рукой.

This is a little robot that mimics the honeybee behavior.

Этот маленький робот копирует поведение пчёл.

And smaller is better,

И чем меньше, тем лучше,

because along with the small size you get lower inertia.

потому что вместе с уменьшением размеров уменьшается и инерция.

Along with lower inertia --

А с уменьшением инерции

(Robot buzzing, laughter)

(Робот жужжит. Смех)

along with lower inertia, you're resistant to collisions.

с уменьшением инерции восприимчивость к столкновениям ниже.

And that makes you more robust.

Вы становитесь устойчивее.

So just like these honeybees, we build small robots.

Мы строим маленьких роботов, таких же, как эти пчёлы.

And this particular one is only 25 grams in weight.

Конкретно этот весит всего 25 грамм.

It consumes only six watts of power.

Ему нужно всего 6 ватт.

And it can travel up to six meters per second.

И он может двигаться до 6 м/c.

So if I normalize that to its size,

Если сопоставить это с его размером,

it's like a Boeing 787 traveling ten times the speed of sound.

то это Боинг-787, летящий со скоростью, в 10 раз больше скорости звука.

(Laughter)

(Смех)

And I want to show you an example.

И я хочу привести вам пример.

This is probably the first planned mid-air collision, at one-twentieth normal speed.

Это первое спланированное столкновение в воздухе, замедленное в 20 раз.

These are going at a relative speed of two meters per second,

Они сближаются со скоростью 2 м/c,

and this illustrates the basic principle.

это иллюстрирует основной принцип.

The two-gram carbon fiber cage around it prevents the propellers from entangling,

Каркас из углеродного волокна весом 2 г защищает пропеллеры от столкновения,

but essentially the collision is absorbed and the robot responds to the collisions.

но энергия столкновения поглощается, и робот реагирует на него.

And so small also means safe.

Маленький размер — это безопасность.

In my lab, as we developed these robots,

В нашей лаборатории

we start off with these big robots

мы начали с больших роботов,

and then now we're down to these small robots.

а закончили такими мелкими.

And if you plot a histogram of the number of Band-Aids we've ordered

А если вы нарисуете график того, как мы заказывали пластыри,

in the past, that sort of tailed off now.

то со временем линия уйдёт в ноль,

Because these robots are really safe.

ведь эти роботы действительно безопасны.

The small size has some disadvantages,

У небольшого размера есть недостатки,

and nature has found a number of ways to compensate for these disadvantages.

но природа нашла множество способов их компенсировать,

The basic idea is they aggregate to form large groups, or swarms.

в основном созданием больших групп, или роёв.

So, similarly, in our lab, we try to create artificial robot swarms.

И в нашей лаборатории мы пытаемся создать искусственные рои роботов.

And this is quite challenging

Это достаточно сложно,

because now you have to think about networks of robots.

потому что теперь надо думать о взаимодействии роботов.

And within each robot,

И для каждого робота

you have to think about the interplay of sensing, communication, computation --

вам нужно продумать восприятие, коммуникацию и вычисления,

and this network then becomes quite difficult to control and manage.

и этим всем становится сложно управлять.

So from nature we take away three organizing principles

Мы позаимствовали три принципа организации у природы —

that essentially allow us to develop our algorithms.

они позволили нам построить эти алгоритмы.

The first idea is that robots need to be aware of their neighbors.

Первый состоит в том, что роботам надо знать о своих соседях.

They need to be able to sense and communicate with their neighbors.

Они должны быть в состоянии ощущать их и общаться с ними.

So this video illustrates the basic idea.

Это видео иллюстрирует идею.

You have four robots --

У вас четыре робота:

one of the robots has actually been hijacked by a human operator, literally.

один, кстати, захвачен оператором-человеком буквально.

But because the robots interact with each other,

Но поскольку роботы взаимодействуют,

they sense their neighbors,

они ощущают соседей

they essentially follow.

и следуют друг за другом.

And here there's a single person able to lead this network of followers.

И один из них возглавляет эту сеть последователей.

So again, it's not because all the robots know where they're supposed to go.

То есть это не потому, что каждый робот знает, куда он должен идти,

It's because they're just reacting to the positions of their neighbors.

а потому что он просто реагирует на местонахождение своих соседей.

(Laughter)

(Смех)

So the next experiment illustrates the second organizing principle.

Этот эксперимент демонстрирует второй принцип организации.

And this principle has to do with the principle of anonymity.

Это анонимность.

Here the key idea is that

Смысл в том,

the robots are agnostic to the identities of their neighbors.

что роботам не нужно знать, кто именно их соседи.

They're asked to form a circular shape,

Они должны образовать круг,

and no matter how many robots you introduce into the formation,

и неважно, сколько роботов вы в это вовлечёте,

or how many robots you pull out,

а сколько — выгоните,

each robot is simply reacting to its neighbor.

каждый робот всего-навсего реагирует на своего соседа.

It's aware of the fact that it needs to form the circular shape,

Он знает, что должен получиться круг,

but collaborating with its neighbors

и, взаимодействуя с соседями,

it forms the shape without central coordination.

они образуют круг без централизованного управления.

Now if you put these ideas together,

Если соединить все эти идеи,

the third idea is that we essentially give these robots

то третий принцип — дать этим роботам

mathematical descriptions of the shape they need to execute.

математическое описание фигур, которые они должны построить.

And these shapes can be varying as a function of time,

Эти фигуры могут меняться с течением времени,

and you'll see these robots start from a circular formation,

видите, эти роботы начали с круга,

change into a rectangular formation, stretch into a straight line,

перестроились в прямоугольник, вытянулись по прямой линии

back into an ellipse.

и вернулись к эллипсу.

And they do this with the same kind of split-second coordination

И они делают это, точно так же координируясь посекундно,

that you see in natural swarms, in nature.

как и настоящие живые рои.

So why work with swarms?

Зачем работать с роями?

Let me tell you about two applications that we are very interested in.

Есть два применения, которые нам очень интересны.

The first one has to do with agriculture,

Первое — сельское хозяйство,

which is probably the biggest problem that we're facing worldwide.

это крупнейшая, глобальная задача.

As you well know,

Известно,

one in every seven persons in this earth is malnourished.

что каждый седьмой человек на планете недоедает.

Most of the land that we can cultivate has already been cultivated.

Большая часть пригодной для сельского хозяйства земли уже возделана.

And the efficiency of most systems in the world is improving,

Эффективность большинства отраслей в мире растёт,

but our production system efficiency is actually declining.

но эффективность производства еды падает.

And that's mostly because of water shortage, crop diseases, climate change

Основные причины — недостаток воды, заболевания злаков, изменение климата

and a couple of other things.

и ещё пара других.

So what can robots do?

Что могут роботы?

Well, we adopt an approach that's called Precision Farming in the community.

Мы применяем подход, известный как точное земледелие.

And the basic idea is that we fly aerial robots through orchards,

Роботы летят над садами,

and then we build precision models of individual plants.

а затем мы строим точные модели отдельных растений.

So just like personalized medicine,

Как и в индивидуальной терапии,

while you might imagine wanting to treat every patient individually,

где лечение для каждого пациента подбирают отдельно,

what we'd like to do is build models of individual plants

мы хотим строить модели каждого отдельного растения

and then tell the farmer what kind of inputs every plant needs --

и сообщать фермеру, что именно нужно конкретному растению:

the inputs in this case being water, fertilizer and pesticide.

вода, удобрения или пестициды.

Here you'll see robots traveling through an apple orchard,

Вот роботы летят через яблоневый сад,

and in a minute you'll see two of its companions

сейчас вы увидите ещё парочку,

doing the same thing on the left side.

летящих слева.

And what they're doing is essentially building a map of the orchard.

Они строят карту сада.

Within the map is a map of every plant in this orchard.

Внутри неё находится карта каждого растения этого сада.

(Robot buzzing)

(Робот жужжит)

Let's see what those maps look like.

Посмотрим на эти карты.

In the next video, you'll see the cameras that are being used on this robot.

Следующее видео — с камер этого робота.

On the top-left is essentially a standard color camera.

Слева сверху — отдельная цветная камера.

On the left-center is an infrared camera.

Слева в центре — инфракрасная.

And on the bottom-left is a thermal camera.

Снизу слева — тепловизор.

And on the main panel, you're seeing a three-dimensional reconstruction

На центральной панели — объёмная реконструкция

of every tree in the orchard as the sensors fly right past the trees.

каждого дерева сада, построенная во время облёта.

Armed with information like this, we can do several things.

Мы можем многое с такой информацией.

The first and possibly the most important thing we can do is very simple:

Первое, наверное, самое важное, и очень простое:

count the number of fruits on every tree.

подсчёт количества плодов на каждом дереве.

By doing this, you tell the farmer how many fruits she has in every tree

Фермер будет знать, сколько у него плодов,

and allow her to estimate the yield in the orchard,

сможет оценить урожайность сада

optimizing the production chain downstream.

и оптимизировать цепь поставок с самого начала.

The second thing we can do

Второе, что мы можем сделать, —

is take models of plants, construct three-dimensional reconstructions,

взять модели растений, сделать объёмную реконструкцию,

and from that estimate the canopy size,

таким образом, оценить размер покрытия

and then correlate the canopy size to the amount of leaf area on every plant.

и вычислить связь размера покрытия с листовой поверхностью каждого растения.

And this is called the leaf area index.

Это индекс листовой поверхности.

So if you know this leaf area index,

Если вы знаете его значение,

you essentially have a measure of how much photosynthesis is possible in every plant,

вы можете измерить объём фотосинтеза, возможного для каждого растения,

which again tells you how healthy each plant is.

что, опять же, покажет, насколько здорово каждое растение.

By combining visual and infrared information,

Объединив данные инфракрасной камеры и тепловизора,

we can also compute indices such as NDVI.

мы также можем вычислить НОИВ.

And in this particular case, you can essentially see

Конкретно в этом случае

there are some crops that are not doing as well as other crops.

есть отдельные растения, которым хуже, чем остальным.

This is easily discernible from imagery,

Их легко выявить по изображению,

not just visual imagery but combining

не только по визуальному, а объединённому

both visual imagery and infrared imagery.

визуальному и инфракрасному.

And then lastly,

И наконец,

one thing we're interested in doing is detecting the early onset of chlorosis --

нам интересно раннее выявление хлороза —

and this is an orange tree --

здесь на апельсиновом дереве —

which is essentially seen by yellowing of leaves.

который легко различим по желтеющим листьям.

But robots flying overhead can easily spot this autonomously

Роботы могут легко обнаружить их сверху

and then report to the farmer that he or she has a problem

и сообщить фермеру, что у него или неё проблемы

in this section of the orchard.

в этой части сада.

Systems like this can really help,

Такие системы действительно могут помочь,

and we're projecting yields that can improve by about ten percent

мы ожидаем роста урожайности примерно на 10%,

and, more importantly, decrease the amount of inputs such as water

и, что важнее, снижения потребления, например, потребления воды,

by 25 percent by using aerial robot swarms.

на 25% благодаря использованию роёв аэророботов.

Lastly, I want you to applaud the people who actually create the future,

И я хочу, чтобы вы поаплодировали людям, которые создают будущее:

Yash Mulgaonkar, Sikang Liu and Giuseppe Loianno,

Яшу Мулганкару, Сикангу Лю и Джузеппе Лоиано,

who are responsible for the three demonstrations that you saw.

подготовившим три сегодняшние демонстрации.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)