The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Raffaello D'Andrea: Kuadrokopterlerin şaşırtıcı atletik gücü

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Çeviri: Enis Başol Gözden geçirme: İbrahim Uzun

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

Bir makinenin atletik olması ne manaya gelir?

Makine atletizmi kavramını ve bunu geliştirmek için yapılan araştırmayı

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

kuadrokopter veya kısaca kuad denen

with the help of these flying machines called quadrocopters,

bu uçan makineler yardımıyla

or quads, for short.

göstereceğiz.

Quads have been around for a long time.

Kuadlar bayadır piyasada var.

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

Bu aralar bu kadar meşhur olmalarının sebebi

mekanik olarak basit olmaları.

By controlling the speeds of these four propellers,

Buradaki dört pervanenin hızlarının kontrol edilmesiyle

these machines can roll, pitch, yaw,

bu makineler takla atabiliyor, bir yana meyledebiliyor, yalpa yapabiliyor ve

and accelerate along their common orientation.

ortak bir hedefe doğru hız yapabiliyor.

On board are also a battery, a computer,

Buna ilaveten bir pil, bir bilgisayar,

various sensors and wireless radios.

çeşitli sensörler ve kablosuz telsizler var.

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

Kuadlar aşırı çevik. Ancak bu çevikliğin de bir bedeli var.

They are inherently unstable,

Kuadlar doğal olarak dengesiz ve uçabilmek için

and they need some form of automatic feedback control

otomatik geribildirim kontrolüne ihtiyaçları var.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Şimdi, bunu nasıl oldu da becerdi?

Cameras on the ceiling and a laptop

Tavandaki kameralar ve bir dizüstü bilgisayar

serve as an indoor global positioning system.

kapalı küresel konumlama sistemi olarak iş görüyor.

Üzerinde bu yansıtıcı aygıtın bulunduğu nesneleri

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

boşlukta tespit etmek için kullanılır.

This data is then sent to another laptop

Bu bilgi sonra tahmin ve kontrol algoritmaları çalıştıran

that is running estimation and control algorithms,

bir başka dizüstü bilgisayara gönderilir.

which in turn sends commands to the quad,

Bu bilgisayar da tahmin ve kontrol algoritmaları çalıştıran

which is also running estimation and control algorithms.

kuada talimatlar gönderir.

The bulk of our research is algorithms.

Bizim araştırmamızın olayı algoritmalar.

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

Bu makinelere hayat katan sihir algoritmalar.

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

Peki makineyi atletik kılan algoritmalar

nasıl tasarlanır?

We use something broadly called model-based design.

Genel olarak model tabanlı tasarım diye tabir olunan bir sistem kullanıyoruz.

We first capture the physics

İlk önce fiziğe makinelerin davranış şekilleriyle alakalı

with a mathematical model of how the machines behave.

matematiksel bir modelle bakıyoruz.

We then use a branch of mathematics called control theory

Sonra bu modelleri tahlil etmek ve

algoritmaları da birleştirebilmek için

to analyze these models

kontrol teorisi denen matematiğin bir alanını kullanıyoruz.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Mesela; kuadı bu şekilde sallayabilirsiniz.

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

Evvela bir takım diferansiyel denklemlerle

devinimi elde ettik.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Sonra kuadı sabitleyen algoritmaları oluşturmak için

kontrol teorisi yardımıyla bu denklemlerin üzerinde oynuyoruz.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Bu yaklaşımın gücünü göstereyim.

Suppose that we want this quad to not only hover

Farz edelim bu kuadın hem sallanmasını

but to also balance this pole.

hem de bu çubuğu dengelemesini istiyoruz.

With a little bit of practice,

Birazcık alıştırmadan sonra

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

bunu yapabilmek bir insan için çok kolay.

Ancak yere basan iki ayak

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

ve iyi iş gören

iki elimizi kullanma avantajımız var.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Yere basan sadece bir ayağım olduğunda

when I only have one foot on the ground

ve ellerimi kullanmadığım zaman

and when I don't use my hands.

daha da zorlaşır.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Bakın bu çubuğun üzerinde yansıtıcı aygıt var.

which means that it can be located in the space.

Bu da boşlukta konumunun saptanabileceği anlamına geliyor.

(Audience) Oh!

(Alkışlar)

(Applause)

(Applause ends)

Bu kuadın, çubuğu dengede tutmak için ince ayarlar yaptığını

You can notice that this quad is making fine adjustments

farkedebiliyorsunuz.

to keep the pole balanced.

Bunu gerçekleştirecek algoritmaları nasıl tasarladık?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Çubuğun matematiksel modelini

to that of the quad.

kuadınkine ekledik.

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

Kuad-çubuk sisteminin ortak modelini elde ettiğimizde

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

bunu kontrol edecek algoritmaları oluşturmak için kontrol teorisini kullanabiliyoruz.

Here, you see that it's stable,

İşte, sabit olduğunu görüyorsunuz.

and even if I give it little nudges,

Hafif sürüklesem dahi

it goes back --

tekrardan düzgün ve dengeli bir hal alıyor.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Modele kuadın boşlukta nerede duracağının

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

bilgisini de ekleyebiliriz.

Using this pointer, made out of reflective markers,

Yansıtıcı aygıtlar bulunduran bu çubuğu kullanarak

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

kuada, benden belirli bir uzaklıkta olacak şekilde boşlukta

a fixed distance away from me.

durmasını istediğim yeri gösterebilirim.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Bu akrobatik manevraların anahtarı matematiksel teorilerle

designed with the help of mathematical models

ve kontrol teorisinin yardımıyla tasarlanan

and control theory.

algoritmalardır.

Let's tell the quad to come back here

Kuada buraya geri gelmesini söyleyelim ve

and let the pole drop,

çubuğun düşmesini sağlayalım.

and I will next demonstrate the importance

Şimdi fiziksel modelleri ve fiziksel dünyanın

nasıl cereyan ettiğini anlamanın

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

önemini göstereceğim.

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

Bir bardak suyu üzerine koyduğumda

kuadın nasıl da irtifa kaybettiğine bir bakın.

Unlike the balancing pole,

Dengelediği çubuğun aksine bardağın

I did not include the mathematical model of the glass

matematik modelini sisteme dahil etmedim.

in the system.

Aslında sistem bir bardak suyun orada olduğunu bile bilmiyor.

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

Daha önce olduğu gibi boşlukta olmasını istediğim yeri

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

where I want it to be in space.

kuada bildirmek için bu çubuğu kullanabilirim.

(Alkış)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Pekala, bardaktan niye su dökülmüyor diye

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

kendinize soruyor olmalısınız.

Two facts.

İki gerçek var: İlki, yer çekimi

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

bütün nesnelere aynı şekilde tesir eder.

The second is that the propellers

İkincisi ise, pervanelerin hepsi bardağı

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

aynı yöne itiyor, yani düzlüyor.

You put these two things together,

Bu iki gerçeği bir araya getirdiğinizde ortaya çıkan netice itibariyle

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

bardağa tesir eden yan kuvvetler küçük olduğundan

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

temel olarak aerodinamik tesirler galip geliyor.

which at these speeds are negligible.

Bu da hızlar ihmal edilebilir düzeyde bulunduğundan oluyor.

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

Neticede bardağın modelini çıkarmaya ihtiyaç kalmıyor.

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

Doğal olarak kuad ne yaparsa yapsın suyu dökmüyor.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Alkış)

(Applause ends)

The lesson here

Buradan çıkardığımız ders: Yüksek performans gerektiren bazı vazifeler

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

diğerlerinden daha kolaydır ve

and that understanding the physics of the problem

meselenin fiziğini anlamak size

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

hangi vazifenin kolay hangisinin zor olduğunu söyler.

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

Bu durumda, bir bardak su taşımak kolaydır.

Balancing a pole is hard.

Bir çubuğu dengelemek ise zor.

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

Fiziken yaralı haldeyken marifetlerini sergileyen

atletlerin hikayelerini hep duyuyoruz

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Fiziksel olarak aşırı hasarlı bulunan

bir makine de aynını yapabilir mi?

Conventional wisdom says

Yaygın inanışa göre uçabilmek için

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

en az dört sabit motorlu pervaneye ihtiyaç var.

because there are four degrees of freedom to control:

Çünkü kontrol edilmesi gereken dört serbestlik derecesi var.

roll, pitch, yaw and acceleration.

Bunlar: dönme, eğim, yalpalama ve hızlanma.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Altı ve sekiz pervanesi olan hekzakopter ve oktokopterler

can provide redundancy,

yedekleme sağlayabilir.

but quadrocopters are much more popular

Ama kuadrokopterler en az sayıda, yani dört adet

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

sabit motorlu pervane çiftine sahip olduklarından

çok daha meşhurdurlar.

Or do they?

Ya da gerçekten de öyle mi?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Çalışan sadece iki pervanesi olduğunda bu makinanın

with only two working propellers,

matematik modelini tahlil edersek,

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

bunu uçurmanın pek de bilinmeyen bir yolu olduğunu keşfederiz.

We relinquish control of yaw,

Yalpalama kontrolünden feragat ettik.

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

Ama dönme, eğim ve hızlanma bu yeni yapılanmayı

with algorithms that exploit this new configuration.

sömüren algoritmalarla hala kontrol edilebiliyor.

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

Matematiksel modeller bunun tam olarak

ne zaman ve neden mümkün olduğunu bize söylüyor.

In this instance, this knowledge allows us to design

Bu durumda, bu bilgi yeni makine mimarileri tasarlamamıza

novel machine architectures

veya hasarı iyi bir şekilde

telafi edebilecek akıllı algoritmalar tasarlamamıza imkan tanıyor.

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

Aynen insan atletlerin yaptığı gibi.

instead of building machines with redundancy.

Yedekleme yapan makineler yapmaktan iyidir.

We can't help but hold our breath

Bir dalgıcı suya dalarken veya

when we watch a diver somersaulting into the water,

uzun atlama yapan birini havada uçarken

or when a vaulter is twisting in the air,

ve yere değmek üzereyken izlediğimizde

nefeslerimizi tutmaktan kendimizi alıkoyamayız.

the ground fast approaching.

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

Dalgıç iyi bir dalış yapabilecek mi?

Will the vaulter stick the landing?

Ya uzun atlama yapan kişi nasıl bir düşüş gerçekleştirecek?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Farzedelim bu kuadın burada

üçlü takla atmasını ve tam da

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

başladığı noktada bitirmesini istiyoruz.

This maneuver is going to happen so quickly

Bu manevra o kadar hızlı gerçekleşecektir ki

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

bu esnada hareketi düzeltmek için konumlandırma geri bildirimini kullanamayız.

There simply isn't enough time.

Kısaca, bunun için yeterince vakit yok.

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

Ama kuadın yaptığı bu manevrayı kabaca yapmak,

observe how it finishes the maneuver,

manevrayı nasıl bitirdiğini gözlemlemek ve

and then use that information to modify its behavior

bir sonraki taklanın daha iyi olması için

so that the next flip is better.

bu gözlemi kullanmak.

Similar to the diver and the vaulter,

Uzun atlamacı ve dalgıç gibi

it is only through repeated practice

sadece sürekli tekrarla

that the maneuver can be learned and executed

manevra öğrenilip en yüksek standartlarda

to the highest standard.

tatbik edilebilir.

(Laughter)

(Applause)

(Alkış)

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

Hareket eden bir topa vurmak bir çok spor için lüzumlu bir kabiliyettir.

Atletin yaptığının aynısını görünürde

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

hiç gayret sarfetmeden bir makineye nasıl yaptırabiliriz?

(Laughter)

(Alkış)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Bu kuadın üstüne bağlı bir raket var.

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

Raketin de üzerinde çok da büyük olmayan, elma büyüklüğünde bir odak noktası var.

Sonraki hesaplamalar her 20 milisaniyede gerçekleşiyor.

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

Yani saniyede 50 defa.

We first figure out where the ball is going.

Önce topun nereye gittiğini tespit ediyoruz.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Sonraki aşamada kuad topa nasıl vurursa

top geldiği yere döner onu hesaplıyoruz.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

Üçüncü aşamada, kuadı bulunduğu yerden

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

topa temas ettiği noktaya taşıyan güzergah hesaplanır.

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

Dördüncü olarak ise bu stratejinin sadece 20 milisaniye değerindeki kısmını tatbik ediyoruz.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

20 milisaniye sonra ise tüm süreç kuad topa vurana kadar

until the quad strikes the ball.

devam ediyor.

(Applause)

(Alkış)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Makineler dinamik manevraları sadece tek başlarına değil,

they can do it collectively.

toplu olarak da yapabilirler.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Bu üç kuad birlikte bir ağ taşıyorlar.

(Applause)

(Alkış)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Topu bana geri fırlatmak için

aşırı dinamik ve toplu

to launch the ball back to me.

bir manevra sergiliyorlar.

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

Ağ tam gerildiğinde bu kuadların dikey vaziyette olduğunu görün.

(Applause)

(Alkış)

In fact, when fully extended,

Aslında ağ tam gerildiğinde

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

kabaca bangi jumping yapan birinin fırlatma sonunda hissettiğinin

at the end of their launch.

beş katı kadar.

The algorithms to do this are very similar

Bunu yapmak için kullanılan algoritmalar

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

tek bir kuadın topu bana geri atmak için kullandığı algoritmalara çok benzer.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Matematik modeller ortak bir stratejiyi saniyede 50 defa

a cooperative strategy 50 times per second.

devamlı tekrar planlamak için kullanılır.

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

Şu ana kadar gördüğümüz her şey

makineler ve kabiliyetleri ile alakalı.

What happens when we couple this machine athleticism

Makinelerin atletizmini insanlarınkiyle

with that of a human being?

eşleştirsek ne olur?

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

Şu an önümde genel olarak oyun sektöründe kullanılan

mainly used in gaming.

bir hareket sensörü var.

It can recognize what my various body parts

Gerçek zamanlı olarak vücudumun çeşitli kısımlarının

are doing in real time.

ne yaptığını algılayabilir.

Similar to the pointer that I used earlier,

Daha önce kullandığım işaretçiye benzer bir şekilde

we can use this as inputs to the system.

bunu sistemde bir girdi olarak kullanabiliriz.

We now have a natural way of interacting

Şimdi daha doğal bir yolla bu kuadların

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

ham atletizmiyle hareketlerim arasında bir etkileşim kurabiliriz.

(Applause)

(Alkış)

Etkileşimin illa ki sanal olmasına gerek yok. Fiziksel de olabilir.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Mesela, bu kuad

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

boşlukta belirli bir noktada kalmak istiyor.

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

Eğer onu ordan çekmeye çalışırsam mukavemet eder ve

and moves back to where it wants to be.

olmak istediği yere geri döner.

We can change this behavior, however.

Ancak bu davranışı değiştirebiliriz.

We can use mathematical models

Kuada uyguladığım kuvveti tahmin etmek için

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

matematik modelleri kullanabiliyoruz.

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

Bu kuvveti bildiğimizde kuad söz konusu olduğunda

as far as the quad is concerned, of course.

fiziğin kurallarını bile değiştirebiliriz.

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

Burada kuad akmayan sıvı içindeymiş gibi

hareket ediyor.

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

Şimdi daha yakın bir şekilde

bir makineyle etkileşim kuruyoruz.

I will use this new capability to position

Bu yeni özelliği, kamera taşıyan bu kuadı

this camera-carrying quad to the appropriate location

gösterinin geri kalanını videoya almak üzere

for filming the remainder of this demonstration.

uygun bir yere yerleştirmek için kullanacağım.

So we can physically interact with these quads

Yani bu kuadlarla fiziksel olarak etkileşim kurup

and we can change the laws of physics.

fizik yasalarını değiştirebiliyoruz.

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

Bununla biraz eğlenelim.

For what you will see next,

Şimdiki gösterimizde, bu kuadlar

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

başlangıçta Plüton'daymış gibi davranacaklar.

As time goes on, gravity will be increased

Zaman ilerledikçe yer çekimi artacak,

until we're all back on planet Earth,

ta ki tamamen dünyada oluncaya kadar.

but I assure you we won't get there.

Ancak sizi temin ederim oraya kadar varamayacağız.

Okay, here goes.

Tamam, işte başlıyor.

(Laughter)

(Kahkaha)

(Laughter)

(Kahkaha)

(Applause)

(Alkış)

Whew!

uhh!

Şu an hepiniz

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

bu adamlar ne de eğleniyor diye düşünüyorsunuz ve

and you're probably also asking yourself,

muhtemelen kendi kendinize bunlar neden

why exactly are they building machine athletes?

makine atletler üretiyor diye soruyorsunuz.

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Bazılarınız hayvanlar aleminde oyunun rolü yetenek ve kabiliyetleri

keskinleştirmektir diye bir çıkarım yapar.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Diğer bazılarınız bunun grubu birbirine bağlamak için

that it's used to bind the group.

kullanılan sosyal bir rolü olduğunu düşünür.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

Benzer şekilde, spor ve atletizm arasındaki yakınlığı

to create new algorithms for machines

makinelerin sınırlarını zorlayacak algoritmalar

to push them to their limits.

üretmek için kullanıyoruz.

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

Makinelerin hızının yaşam tarzımız üzerinde nasıl bir etkisi olacak?

Like all our past creations and innovations,

Geçmişteki tüm icatlarımız ve yeniliklerimiz gibi

they may be used to improve the human condition

insanların içinde bulunduğu vaziyeti geliştirmek için kullanılabilirler

or they may be misused and abused.

ya da kötüye kullanılıp suistimal edilebilirler.

This is not a technical choice we are faced with;

Karşı karşıya olduğumuz teknik bir seçim değil.

it's a social one.

Sosyal bir seçim.

Let's make the right choice,

Doğru olanı seçelim.

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

Spordaki atletizmin bizim içimizdeki en iyileri ortaya çıkardığı gibi,

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

makinelerin geleceğindeki en iyiyi

ortaya çıkartacak olanı seçelim.

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

Yeşil perdenin ardındaki sihirbazları tanıtayım.

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

Flying Machine Arena araştırma ekibinin halihazırdaki üyeleri.

(Applause)

(Alkış)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Federico Augugliaro, Dario Brescianini , Markus Hehn,

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

Sergei Lupashin, Mark Muller ve Robin Ritz.

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

Onlara iyi bakın. Çok iyi şeyler becerecekler.

Teşekkür ederim.

Thank you.

(Applause)

(Alkış)