The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Раффаэлло Д'Андреа: Восхитительный атлетизм квадролётов

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Переводчик: Anastasia Yastrebtseva Редактор: Aliaksandr Autayeu

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

Что же такое машина, обладающая атлетическими свойствами?

Мы сейчас проиллюстрируем здесь понятие машинного атлетизма

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

и расскажем о наших исследованиях в этой области

with the help of these flying machines called quadrocopters,

с помощью вот этих летательных аппаратов,

or quads, for short.

квадролётов, или коротко квадов.

Quads have been around for a long time.

Квады существуют уже давно.

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

Секрет их нынешней популярности

в простоте их конструкции.

By controlling the speeds of these four propellers,

Регулируя скорости вращения вот этих четырёх винтов,

these machines can roll, pitch, yaw,

эти аппараты могут вращаться, крениться, менять курс

and accelerate along their common orientation.

и ускоряться в заданном винтами направлении.

On board are also a battery, a computer,

Они также снабжены батареей, компьютером,

various sensors and wireless radios.

различными датчиками и радиоаппаратурой.

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

Квады чрезвычайно подвижны, но это проворство не досталось им даром.

They are inherently unstable,

Они по природе своей неустойчивы, и для того, чтобы летать,

and they need some form of automatic feedback control

им необходим некий механизм автоматической обратной связи.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Как это ему сейчас удалось?

Cameras on the ceiling and a laptop

Видеокамеры на потолоке и портативный компьютер

serve as an indoor global positioning system.

выступают в роли комнатной GPS.

Она определяет местонахождение объектов,

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

у которых на корпусе есть вот такие отражатели.

This data is then sent to another laptop

Затем данные пересылаются на другой портативный компьютер,

that is running estimation and control algorithms,

где запущены алгоритмы расчёта и управления,

which in turn sends commands to the quad,

в свою очередь передающие команды кваду,

which is also running estimation and control algorithms.

на котором работают такие же алгоритмы.

The bulk of our research is algorithms.

Основная часть наших исследований — это алгоритмы.

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

Это то волшебство, что вдыхает жизнь в наши машины.

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

А как можно спроектировать алгоритм

для создания машины-атлета?

We use something broadly called model-based design.

Мы пользуемся так называемым модельно-ориентированном проектированием.

We first capture the physics

Сначала мы c помощью математической модели

with a mathematical model of how the machines behave.

описываем физические особенности поведения этих машин.

We then use a branch of mathematics called control theory

Затем с помощью математической дисциплины,

известной как теория управления, мы анализируем эти модели

to analyze these models

и строим алгоритмы управления ими.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Например, вот так мы можем заставить квад висеть в воздухе.

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

Для начала мы описываем динамику движения

с помощью набора дифференциальных уравнений.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Затем мы на основе теории управления преобразуем эти уравнения

для получения алгоритмов стабилизации квада.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Разрешите мне продемонстрировать достоинства этого подхода.

Suppose that we want this quad to not only hover

Предположим мы хотим, чтобы квад не просто висел в воздухе,

but to also balance this pole.

а ещё и балансировал вот этой тростью.

With a little bit of practice,

Любой человек, немного потренировавшись,

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

сможет вполне свободно справиться с этой задачей.

Правда у нас есть пара преимуществ —

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

мы стоим двумя ногами на земле

и имеем в распоряжении пару довольно гибких рук.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Задача слегка усложняется,

when I only have one foot on the ground

если я буду стоять на одной ноге

and when I don't use my hands.

и не пользоваться руками.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Обратите внимание на отражатель на конце трости.

which means that it can be located in the space.

Он позволяет определять её местонахождение в пространстве.

(Audience) Oh!

(Аплодисменты)

(Applause)

(Applause ends)

Вы видите, как квад слегка корректирует своё положение,

You can notice that this quad is making fine adjustments

чтобы не уронить трость.

to keep the pole balanced.

Как мы разработали алгоритмы для этого?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Мы объединили математическую модель трости

to that of the quad.

с моделью квада.

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

Получив единую модель системы квад-трость,

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

мы можем использовать теорию управления для её контролирования.

Here, you see that it's stable,

Обратите внимание, что наша конструкция устойчива,

and even if I give it little nudges,

и даже если я буду её слегка толкать,

it goes back --

она возвращается в своё исходное уравновешенное состояние.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Можно ещё дополнить модель параметрами

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

желаемого расположения квада в пространстве.

Using this pointer, made out of reflective markers,

С помощью вот этой указки, покрытой отражателями,

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

я могу задать желаемое местоположение квада

a fixed distance away from me.

на необходимом мне расстоянии в пространстве.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Секрет всех этих кульбитов заключается в алгоритмах,

designed with the help of mathematical models

построенных с помощью математических моделей

and control theory.

и теории управления.

Let's tell the quad to come back here

Теперь давайте вернём квад обратно,

and let the pole drop,

избавимся от трости,

and I will next demonstrate the importance

чтобы я мог продемонстрировать вам

важность понимания физических моделей

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

и законов физики.

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

Обратите внимание, что квад снизился,

когда я поставил на него этот бокал с водой.

Unlike the balancing pole,

В отличие от эксперимента с тростью, мы не заложили

I did not include the mathematical model of the glass

математическую модель бокала в нашу систему.

in the system.

Более того, система даже не подозревает о его существовании.

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

С помощью моей указки я могу опять направить квад

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

where I want it to be in space.

в нужное мне место в пространстве.

(Аплодисменты)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Вы наверняка сейчас недоумеваете:

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

почему вода не выплёскивается из бокала?

Two facts.

На то есть две причины: во-первых, гравитация

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

действует на все объекты одинаково.

The second is that the propellers

Во-вторых, все винты квада ориентированы

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

вертикально вдоль бокала.

You put these two things together,

Всё вместе это приводит к тому,

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

что боковые силы, действующие на бокал, незначительны

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

и вызваны аэродинамическими эффектами,

which at these speeds are negligible.

которыми можно пренебречь на столь малых скоростях.

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

Поэтому нам не нужно включать бокал в нашу модель.

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

Что бы мы ни делали с квадом, вода не разольётся.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Аплодисменты)

(Applause ends)

The lesson here

Таким образом, мы узнали, что некоторые

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

сложные вычислительные задачи оказываются проще других.

and that understanding the physics of the problem

А также, что понимание физических аспектов происходящего

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

помогает нам отделить простые задачи от сложных.

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

В данном случае, перенести бокал с водой просто.

Balancing a pole is hard.

Удержать в равновесии трость сложно.

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

Мы все слышали рассказы о спортсменах,

показывающих чудеса мастерства будучи травмированными.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

А может ли машина работать,

когда она сильно повреждена?

Conventional wisdom says

Принято считать, что для полёта нам необходимы

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

как минимум четыре фиксированные винтовые пары

because there are four degrees of freedom to control:

для управления четырьмя степенями свободы:

roll, pitch, yaw and acceleration.

вращением, креном, сменой курса и ускорением.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Многовинтовые вертолёты, с шестью или восемью винтами,

can provide redundancy,

могут обеспечить резерв,

but quadrocopters are much more popular

тем не менее, квадролёты намного более популярны,

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

потому что они обладают минимально необходимым

количеством винтовых пар: четырьмя.

Or do they?

Но правда ли это?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Изучив математическую модель этого аппарата,

with only two working propellers,

имеющего только два работающих винта,

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

мы установили, что он может летать необычным образом.

We relinquish control of yaw,

Мы теряем контроль над сменой курса,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

но управление вращением, креном и ускорением

with algorithms that exploit this new configuration.

возможно с помощью алгоритмов, работающих в этой новой конфигурации.

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

Математические модели объясняют нам

каким образом это возможно.

In this instance, this knowledge allows us to design

В данном случае эти знания помогают разработать

novel machine architectures

принципиально новые конструкции аппаратов

или создать умные алгоритмы, способные изящно справляться с неполадками,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

подобно настоящим спортсменам,

instead of building machines with redundancy.

вместо того чтобы строить машины с резервными подсистемами.

We can't help but hold our breath

Дух захватывает, когда наблюдаешь

when we watch a diver somersaulting into the water,

за кульбитами прыгуна с трамплина

or when a vaulter is twisting in the air,

или за сальто в воздухе прыгуна с шестом,

стремительно летящего вниз.

the ground fast approaching.

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

Удастся ли прыгуну с трамплина безупречный вход в воду?

Will the vaulter stick the landing?

Удастся ли прыгуну с шестом вертикальное приземление?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Предположим, что мы хотим, чтобы наш квад

выполнил тройное сальто

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

и вернулся в исходное положение.

This maneuver is going to happen so quickly

Этот манёвр осуществляется столь быстро, что мы не успеваем

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

воспользоваться данными обратной связи в процессе его выполнения.

There simply isn't enough time.

Нам просто не хватит времени на корректировку.

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

Но квад может самостоятельно вслепую совершить этот манёвр,

observe how it finishes the maneuver,

запомнить, где он его закончил,

and then use that information to modify its behavior

и скорректировать свои действия таким образом,

so that the next flip is better.

чтобы следующее сальто получилось лучше.

Similar to the diver and the vaulter,

Как и в случае со спортсменами-прыгунами,

it is only through repeated practice

только многократное повторение

that the maneuver can be learned and executed

может помочь в процессе обучения

to the highest standard.

и обеспечить безупречное выполнение манёвра.

(Laughter)

(Applause)

(Аплодисменты)

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

Умение ударить по летящему мячу необходимо во многих видах спорта.

Как можно научить машину тому,

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

что любому спортсмену удаётся без видимых усилий?

(Laughter)

(Аплодисменты)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

К этому квада сверху прикручена ракетка

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

с зоной максимального отскока примерно с яблоко, т.е. не очень большой.

Следующие вычисления производятся

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

каждые 20 миллисекунд, или 50 раз в секунду.

We first figure out where the ball is going.

Сначала нужно вычислить, куда летит мяч.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Затем нужно вычислить, как квад должен ударить по мячу,

чтобы попасть в то же место, из которого его бросили.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

В-третьих, нужно рассчитать траекторию движения квада

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

из текущего местоположения до точки столкновения с мячом.

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

В-четвёртых, действия просчитываются всего на 20 миллисекунд вперёд.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Через 20 миллисекунд всё повторяется сначала

until the quad strikes the ball.

до тех пор, пока квад не ударит по мячу.

(Applause)

(Аплодисменты)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Машины способны не только выполнять динамичное маневрирование

they can do it collectively.

в одиночку, но и делать это вместе.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Вот эти три квада могут вместе перемещать сетку.

(Applause)

(Аплодисменты)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Вместе они выполняют

очень быстрый совместный манёвр

to launch the ball back to me.

с целью отбить мяч обратно мне.

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

Смотрите, когда сеть сильно натянута, квады расположены вертикально.

(Applause)

(Аплодисменты)

In fact, when fully extended,

Больше того, в момент максимального натяжения

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

действующие на квад силы приблизительно в пять раз больше тех,

at the end of their launch.

что испытывает банджи-джампер в конце прыжка.

The algorithms to do this are very similar

Использующиеся здесь алгоритмы очень похожи на те,

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

что работают для одного квада, отбивающего мяч.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Мы используем математические модели для перерасчёта

a cooperative strategy 50 times per second.

совместной стратегии действий 50 раз в секунду.

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

Всё, что я вам до сих пор показывал,

относилось к машинам и их возможностям.

What happens when we couple this machine athleticism

А что произойдёт, если объединить

with that of a human being?

машинный атлетизм с человеческим?

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

Передо мной — серийный датчик движения,

mainly used in gaming.

использующийся в игровых приставках.

It can recognize what my various body parts

Он способен отслеживать мои движения

are doing in real time.

в режиме реального времени.

Similar to the pointer that I used earlier,

Подобно указке, которую я использовал ранее,

we can use this as inputs to the system.

мы можем таким образом управлять нашей системой.

We now have a natural way of interacting

С помощью жестов я могу естественным образом

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

управлять атлетическими способностями этих квадов.

(Applause)

(Аплодисменты)

Моё взаимодействие с ними уже не виртуальное, а физическое.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Возьмём, к примеру, этот квад.

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

Он пытается висеть на одном месте.

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

Если я пытаюсь его подвинуть, он сопротивляется

and moves back to where it wants to be.

и возвращается в исходную точку.

We can change this behavior, however.

Впрочем, мы можем изменить его поведение.

We can use mathematical models

С помощью математических моделей

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

можно вычислить силу, с которой я толкаю квад.

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

Если эта сила нам известна, мы можем теперь изменить законы физики,

as far as the quad is concerned, of course.

разумеется только применительно к этому кваду.

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

Квад сейчас ведёт себя так,

будто он попал в вязкую жидкость.

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

Теперь мы можем

очень тесно взаимодействовать с машиной.

I will use this new capability to position

Я могу расположить

this camera-carrying quad to the appropriate location

вот этот квад с камерой в самом удобном месте

for filming the remainder of this demonstration.

для съёмок последней части моей презентации.

So we can physically interact with these quads

Мы можем управлять этими квадами вручную,

and we can change the laws of physics.

изменяя при этом законы физики.

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

Давайте теперь немного поиграем.

For what you will see next,

Сейчас вы увидите, как эти квады сначала будут

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

вести себя так, будто они находятся на Плутоне.

As time goes on, gravity will be increased

Мы будем постепенно увеличивать силу гравитации

until we're all back on planet Earth,

пока не вернёмся на Землю,

but I assure you we won't get there.

но смею вас уверить, что до этого дело не дойдёт.

Okay, here goes.

Ну, поехали.

(Laughter)

(Смех)

(Laughter)

(Смех)

(Applause)

(Аплодисменты)

Whew!

Уф!

Вы все сейчас думаете:

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

эти ребята уж слишком много веселятся.

and you're probably also asking yourself,

Возможно, вы ещё задаётесь вопросом:

why exactly are they building machine athletes?

а зачем вообще мы конструируем эти машины-атлеты?

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Есть мнение, что в животном мире с помощью игры

можно оттачивать мастерство и развивать свои способности.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Другие считают, что социальное значение игр в том,

that it's used to bind the group.

чтобы сплачивать людей.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

А мы проводим параллели между спортом

to create new algorithms for machines

и атлетическими способностями, создавая алгоритмы,

to push them to their limits.

которые будут заставлять машины работать на пределе возможностей.

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

Каким образом скорость работы машины повлияет на нашу собственную жизнь?

Like all our past creations and innovations,

Как показывает опыт, любое изобретение или открытие

they may be used to improve the human condition

может быть использовано как на благо человечества,

or they may be misused and abused.

так и во вред ему.

This is not a technical choice we are faced with;

Мы стоим перед проблемой не технического выбора,

it's a social one.

а выбора социального.

Let's make the right choice,

Так давайте же сделаем правильный выбор.

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

Выбор, который отразит самые лучшие стороны будущего машин.

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

Как и атлетические качества в спорте

отражают лучшее, что есть в нас.

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

Разрешите мне представить магов, живущих по ту сторону зелёного занавеса.

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

Это члены нашей исследовательской команды «Арена летательных аппаратов».

(Applause)

(Аплодисменты)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Федерико Аугульяро, Дарио Брешьянини, Маркус Хен,

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

Сергей Лупашин, Марк Мюллер и Робин Риц.

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

Обратите на них внимание — за ними будущее.

Спасибо.

Thank you.

(Applause)

(Аплодисменты)