The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Prevodilac: Tatjana Jevdjic Lektor: Mile Živković

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

Дакле, шта је то атлетскa машина?

Показаћемо вам концепт спортске машине

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

и истраживање да би се то остварило

with the help of these flying machines called quadrocopters,

уз помоћ ових летећих машина названих квадрокоптери

or quads, for short.

или скраћено квадови.

Quads have been around for a long time.

Квадови су присутни већ дуго.

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

Разлог што су тако популарни ових дана

је зато што су механички једноставни.

By controlling the speeds of these four propellers,

Контролом брзине ова четири пропелера,

these machines can roll, pitch, yaw,

ове машине могу да се котрљају, додају, мењају правац

and accelerate along their common orientation.

и да убрзавају дуж заједничког правца.

On board are also a battery, a computer,

На уређају је такође и батерија, компјутер,

various sensors and wireless radios.

разни сензори и бежични радио.

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

Квадови су веома агилни, али ова агилност има цену.

They are inherently unstable,

Они су у суштини нестабилни и треба им неки вид

and they need some form of automatic feedback control

аутоматске повратне контроле, како би могли да лете.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Како je то урадио?

Cameras on the ceiling and a laptop

Камере које су на плафону и лаптоп

serve as an indoor global positioning system.

служе као затворени систем глобалног позиционирања.

Користе се за проналажење објеката у простору

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

који имају ове рефлектујуће маркере на себи.

This data is then sent to another laptop

Ови подаци се затим шаљу на други лаптоп

that is running estimation and control algorithms,

који ради процењивање и контролу алгоритама,

which in turn sends commands to the quad,

што заузврат шаље команде на квад,

which is also running estimation and control algorithms.

на ком се одвијају алгоритми за процену и контролу.

The bulk of our research is algorithms.

Највећи део нашег истраживања су алгоритми.

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

То је чаролија која даје живот овим машинама.

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

Дакле, како се дизајнирају алгоритми

за прављење машине спортисте?

We use something broadly called model-based design.

Kористимо нешто што се зове дизајн заснован на моделу.

We first capture the physics

Прво математичким моделом опишемо физику

with a mathematical model of how the machines behave.

понашања машине.

We then use a branch of mathematics called control theory

Онда користимо грану математике

која се зове теорија контроле, за анализу ових модела

to analyze these models

и за синтезу алгоритама за њихову контролу.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

На пример, тако можемо да направимо лебдећи квад.

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

Прво смо освојили динамику

сетом диференцијалних једначина.

We then manipulate these equations with the help of control theory

После смо обрадили ове једначине уз помоћ

теорије контроле да бисмо направили алгоритме који стабилизују квад.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Допустите ми да демонстрирам јачину овог приступа.

Suppose that we want this quad to not only hover

Претпоставимо да желимо да овај квад не само лебди

but to also balance this pole.

већ и да ову мотку држи у равнотежи.

With a little bit of practice,

Уз мало вежбе,

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

за човека је прилично једноставно да то ради,

иако ми имамо предност

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

да смо са две ноге на земљи

и да користимо руке на разне начине.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Ово постаје мало теже

when I only have one foot on the ground

када сам само једном ногом на земљи

and when I don't use my hands.

и када не користим своје руке.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Обратите пажњу како овај штап има рефлектујући маркер на врху,

which means that it can be located in the space.

што значи да може да се лоцира.

(Audience) Oh!

(Аплауз)

(Applause)

(Applause ends)

Можете приметити да овај квад фино подешава

You can notice that this quad is making fine adjustments

равнотежу штапа.

to keep the pole balanced.

Како смо дизајнирали алгоритме за то?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Додали смо математички модел штапа

to that of the quad.

моделу квада.

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

Када добијемо комбиновани модел, онда можемо

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

да користимо теорију контроле за прављење алгоритама за контролу.

Here, you see that it's stable,

Ево, видите да је стабилно,

and even if I give it little nudges,

па чак и ако се мало гурне,

it goes back --

враћа се у леп, стабилан положај.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Такође можемо повећати модел да бисмо укључили

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

положај квада у простору.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Користећи овај показивач од рефлектујућег маркера,

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

могу да одредим положај квада у простору

a fixed distance away from me.

на фиксном одстојању од мене.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Кључ овог акробатског маневра су алгоритми,

designed with the help of mathematical models

направљени уз помоћ математичких модела

and control theory.

и контролне теорије.

Let's tell the quad to come back here

Хајде да кажемo кваду да се врати овде,

and let the pole drop,

нека штап падне

and I will next demonstrate the importance

и показаћу значај

разумевања физичких модела

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

и рада у физичком свету.

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

Обратите пажњу како квад губи висину

када ставим ову чашу воде на њега.

Unlike the balancing pole,

За разлику од штапа који балансира, нисам укључио

I did not include the mathematical model of the glass

математички модел чаше у систем.

in the system.

У ствари, систем не зна да је чаша воде ту.

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

Као и раније, могу да користим показивач да му кажем

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

where I want it to be in space.

где желим да буде.

(Аплауз)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

ОК, требало би да се питате,

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

зашто се вода из чаше не проспе?

Two facts.

Две чињенице: прва је да гравитација делује

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

на све објекте на исти начин.

The second is that the propellers

Друга је да сви пропелери показују

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

у истом правцу чаше, на горе.

You put these two things together,

Ставите заједно ове две ствари, резултат је

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

да су све бочне силе на чаши мале

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

и углавном их диктирају аеродинамични ефекти,

which at these speeds are negligible.

који су занемарљиви као ове брзине.

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

И зато не треба да се моделира чаша.

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

Наравно, не просипа се без обзира шта квад ради.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Аплауз)

(Applause ends)

The lesson here

Овде смо научили да су неки задаци високих перформанси

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

лакши од других

and that understanding the physics of the problem

и да разумевање физике проблема

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

говори који су лаки, а који тешки.

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

У овом случају, лако је носити чашу воде.

Balancing a pole is hard.

Балансирање штапа је тешко.

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

Сви смо чули приче о спортистима

који постижу подвиге док су повређени.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Може ли и машина радити

са екстремним физичким оштећењем?

Conventional wisdom says

До сада знамо да су потребна

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

најмање четири пара моторних пропелера да би летео

because there are four degrees of freedom to control:

јер постоје четири степена слободе за контролу:

roll, pitch, yaw and acceleration.

обртање, бацање, промена правца и убрзање.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Хексакоптери и октокоптери, са 6 и 8 пропелера,

can provide redundancy,

обезбеђују сувишност,

but quadrocopters are much more popular

али квадрокоптери су много популарнији

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

јер имају најмањи број

основних парова моторних пропелера: 4.

Or do they?

Заиста?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Ако се анализира математички модел ове машине

with only two working propellers,

са само 2 пропелера који раде,

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

откривамо да постоји неконвенционалан начин летења.

We relinquish control of yaw,

Губимо контролу промене правца,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

али окретање, бацање и убрзање се још увек могу контролисати

with algorithms that exploit this new configuration.

алгоритмима који користе ову нову конфигурацију.

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

Математички модели нам кажу када

и зашто је то могуће.

In this instance, this knowledge allows us to design

У овом случају, то нам омогућава да дизајнирамо

novel machine architectures

нове архитектуре машина

или да дизајнирамо паметне алгоритме који елегантно решавају штету,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

баш као што то раде спортисти,

instead of building machines with redundancy.

уместо да правимо машине које имају вишак.

We can't help but hold our breath

Остајемо без даха када гледамо

when we watch a diver somersaulting into the water,

рониоца како се преврће у води

or when a vaulter is twisting in the air,

или када се скакач окреће у ваздуху,

а земља се брзо приближава.

the ground fast approaching.

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

Да ли ће ронилац моћи да изађе на време?

Will the vaulter stick the landing?

Да ли ће акробата срећно стићи на земљу?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Претпоставимо да желимо да овај квад

направи троструки салто и заврши

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

на истом месту где је почео.

This maneuver is going to happen so quickly

Овај маневар ће се догодити тако брзо

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

да не можемо користити повратну информацију о положају док то ради.

There simply isn't enough time.

Једноставно нема довољно времена.

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

Уместо тога, оно што квад може је да слепо изврши маневар,

observe how it finishes the maneuver,

сними како је завршио

and then use that information to modify its behavior

и онда узме ту информацију како би променио своје понашање

so that the next flip is better.

да би следећи окрет био бољи.

Similar to the diver and the vaulter,

Слично као ронилац и акробата,

it is only through repeated practice

само кроз поновљено вежбање

that the maneuver can be learned and executed

маневар се може научити и извршити

to the highest standard.

према највишем нивоу.

(Laughter)

(Applause)

(Аплауз)

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

Неопходна вештина многих спортова је ударање лопте у покрету.

Како да направимо машину која ради

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

оно што спортиста ради наизглед без напора?

(Laughter)

(Аплауз)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Овај квад има рекет привезан на свом челу

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

са циљним местом величине као јабука, дакле не превеликим.

Следећи прорачуни се врше сваких 20 милисекунди

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

или 50 пута у секунди.

We first figure out where the ball is going.

Прво гледамо где лопта иде.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Затим рачунамо како би квад требало да погоди лопту

тако да она одлети на место одакле је бачена.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Треће, путања је пројектована да носи квад

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

од тренутног положаја до тачке удара лопте.

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

Четврто, извршавамо само 20 милисекунди те стратегије.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Двадесет милисекунди касније, цео поступак се понавља

until the quad strikes the ball.

све док квад не удари лопту.

(Applause)

(Аплауз)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Машине могу да изводе и своје динамичке маневре

they can do it collectively.

и то могу да раде заједнички.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Ова 3 квада заједнички носе мрежу.

(Applause)

(Аплауз)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Они обављају изузетно динамичан

и колективни маневар

to launch the ball back to me.

да пошаљу лопту мени назад.

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

Приметите да су ови квадови вертикални у потпуном опружању.

(Applause)

(Аплауз)

In fact, when fully extended,

У ствари, када је потпуно опружен,

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

сила је отприлике пет пута већа од оне коју осећа банџи скакач

at the end of their launch.

на крају свог лансирања.

The algorithms to do this are very similar

Алгоритми за ово су веома слични онима

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

које користи један квад да би вратио лопту мени.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Математички модели се користе све време и поново срачунавају

a cooperative strategy 50 times per second.

заједничку стратегију 50 пута у секунди.

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

Све што смо видели до сада је било

о машинама и њиховим могућностима.

What happens when we couple this machine athleticism

Шта се дешава када ове машине атлете

with that of a human being?

искомбинујемо са људима атлетама?

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

Испред мене је комерцијални сензор за покрете

mainly used in gaming.

који се углавном користи у играма.

It can recognize what my various body parts

Он може да препозна шта разни делови мога тела

are doing in real time.

раде у реалном времену.

Similar to the pointer that I used earlier,

Слично показивачу који сам користио раније,

we can use this as inputs to the system.

ово можемо користити као улазни податак у систем.

We now have a natural way of interacting

Сада имамо природан начин интеракције

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

сирове атлетике ових квадова и мојих покрета.

(Applause)

(Аплауз)

Интеракција не мора да буде виртуелна. Може бити физичка.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

На пример, овај квад.

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

Покушава да остане у фиксној тачки у простору.

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

Ако покушам да га померим са пута, он се супротставља

and moves back to where it wants to be.

и премешта тамо где жели да буде.

We can change this behavior, however.

Међутим, можемо променити ово понашање.

We can use mathematical models

Можемо користити математичке моделе

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

да бисмо проценили силу која се примењује на квад.

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

Када знамо ову силу, можемо да променимо и законе физике,

as far as the quad is concerned, of course.

док год је квад у питању, наравно.

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

Овде се квад понаша као да је

у вискозној течности.

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

Сада имамо близак начин

интеракције са машином.

I will use this new capability to position

Користићу ову нову могућност за позиционирање

this camera-carrying quad to the appropriate location

ове камере која носи квад до одговарајуће локације

for filming the remainder of this demonstration.

за снимање преосталог дела ове демонстрације.

So we can physically interact with these quads

Дакле, физички можемо да делујемо са квадовима

and we can change the laws of physics.

и можемо да променимо законе физике.

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

Хајде да се мало забавимо са овим.

For what you will see next,

Сада ћете видети ове квадове

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

који ће се испрва понашати као да су на Плутону.

As time goes on, gravity will be increased

Како време пролази, повећаваће се гравитација

until we're all back on planet Earth,

док се не вратимо на Земљу

but I assure you we won't get there.

али уверавам вас да нећемо стићи тамо.

Okay, here goes.

ОК, ево почиње.

(Laughter)

(Смех)

(Laughter)

(Смех)

(Applause)

(Аплауз)

Whew!

Уф!

Сви сада мислите

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

да се ови момци превише забављају

and you're probably also asking yourself,

и вероватно се такође питате:

why exactly are they building machine athletes?

"Због чега они праве ове машине атлете?"

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Неки ће претпоставити да игра у животињском царству

има улогу да унапреди вештине и развије способности.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Други, да има друштвенију улогу,

that it's used to bind the group.

да се користи да се група веже.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

Слично, користимо аналогију спорта и атлетике

to create new algorithms for machines

да бисмо створили нове алгоритме за машине

to push them to their limits.

да их гурнемо до граница.

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

Колико ће брзина машина имати утицаја на наш начин живота?

Like all our past creations and innovations,

Као и код свих наших претходних креација и иновација,

they may be used to improve the human condition

могу се користити за побољшање људског живота

or they may be misused and abused.

или се погрешно користити и злоупотребити.

This is not a technical choice we are faced with;

Не суочавамо се са техничким избором;

it's a social one.

већ друштвеним.

Let's make the right choice,

Хајде да направимо прави избор

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

најбољи избор будућности машина,

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

баш као што атлетика

може извући најбоље у нама.

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

Дозволите ми да вас упознам са чаробњацима иза зелене завесе.

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

То су садашњи чланови истраживачког тима "Арена летећих машина".

(Applause)

(Аплауз)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Федерико Аугуљаро, Дарио Брешанини, Маркус Хен,

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

Сегеј Лупашин, Марк Милер и Робин Риц.

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

Обратите пажњу на њих. Они су предодређени за велике ствари.

Хвала.

Thank you.

(Applause)

(Аплауз)