The astounding athletic power of quadcopters | Raffaello D'Andrea

Translator: Joseph Geni Reviewer: Morton Bast

Перекладач: Anastasia Kvilinskaya Утверджено: Khrystyna Romashko

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

Як механізм може бути атлетичний?

Зараз ми продемонструємо атлетизм машини

We will demonstrate the concept of machine athleticism

and the research to achieve it

та досягнення цього дослідження

with the help of these flying machines called quadrocopters,

за допомогою літальних апаратів під назвою «квадрокоптери»

or quads, for short.

або скорочено «квади».

Quads have been around for a long time.

Квади навколо нас вже давно.

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

Причина того, що сьогодні вони популярні,

полягає в їхній механічній простоті.

By controlling the speeds of these four propellers,

Контроль за швидкістю чотирьох пропелерів

these machines can roll, pitch, yaw,

дає цим машинам змогу обертатися, падати, відхилятися від курсу,

and accelerate along their common orientation.

розганятися відносно звичної траєкторії.

On board are also a battery, a computer,

Пристрій має акумулятор, комп'ютер,

various sensors and wireless radios.

різні датчики та бездротовий зв'язок.

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

Квади надзвичайно рухливі, але ця рухливість виникає не сама по собі.

They are inherently unstable,

Їм властива нестабільність, і їм потрібна якась форма

and they need some form of automatic feedback control

автоматичного зворотного живлення для можливості літати.

in order to be able to fly.

So, how did it just do that?

Як цього досягнули?

Cameras on the ceiling and a laptop

Камери на стелі та в портативному комп’ютері

serve as an indoor global positioning system.

служать вхідною глобальною системою визначення місцезнаходження.

Вживається вона для розміщення об’єктів у просторі,

It's used to locate objects in the space

that have these reflective markers on them.

які мають на собі відбивні індикатори.

This data is then sent to another laptop

Потім ці дані передаються на інший комп’ютер,

that is running estimation and control algorithms,

який видає розрахунки та алгоритми керування

which in turn sends commands to the quad,

і, своєю чергою, надсилає команди кваду,

which is also running estimation and control algorithms.

який також робить розрахунки та алгоритми керування.

The bulk of our research is algorithms.

Основна частина нашого дослідження – алгоритми.

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

Це чари, які дали цим машинам життя.

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

Яким чином проектуються алгоритми,

що створюють машину-атлета?

We use something broadly called model-based design.

Ми використовуємо проектування, що базується на моделюванні.

We first capture the physics

Спочатку ми беремо фізику з математичною моделлю

with a mathematical model of how the machines behave.

поведінки машини.

We then use a branch of mathematics called control theory

Потім використовуємо розділ математики

під назвою «Теорія керування» для аналізу цих моделей,

to analyze these models

а також для синтезу алгоритмів з метою керування ними.

and also to synthesize algorithms for controlling them.

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

Наприклад, так ми впливаємо на квада, щоб він завис у повітрі.

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

Спочатку ми використали динаміку

із набором диференційних рівнянь.

We then manipulate these equations with the help of control theory

Потім ми розбираємося з даними рівняннями за допомогою

теорії управління для створення алгоритмів, які стабілізують квад.

to create algorithms that stabilize the quad.

Let me demonstrate the strength of this approach.

Зараз я продемонструю вам силу цього досягнення.

Suppose that we want this quad to not only hover

Наприклад, ми хочемо, щоб квад не тільки завис у повітрі,

but to also balance this pole.

а й тримав цю палицю у рівновазі.

With a little bit of practice,

Після невеличкої практики

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

людина може це зробити.

Хоча в нас є перевага в тому,

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

що дві ноги стоять на підлозі,

і задіяні наші гнучкі руки.

and the use of our very versatile hands.

It becomes a little bit more difficult

Ситуація складнішає тоді,

when I only have one foot on the ground

коли в мене одна нога на підлозі,

and when I don't use my hands.

а руки не задіяні.

Notice how this pole has a reflective marker on top,

Зауважте, що ця палиця має зверху відбивний індикатор.

which means that it can be located in the space.

Це означає, що її можна розмістити в просторі.

(Audience) Oh!

(Оплески)

(Applause)

(Applause ends)

Ви бачите, що цей квад гарно пристосовується до того,

You can notice that this quad is making fine adjustments

щоб тримати палицю у рівновазі.

to keep the pole balanced.

Як ми спроектували для цього алгоритми?

How did we design the algorithms to do this?

We added the mathematical model of the pole

Ми додали математичну модель палиці

to that of the quad.

до моделі кваду.

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

Коли в нас є модель комбінованої системи «квад-палиця»,

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

ми можемо використати теорію управління для створення алгоритмів щодо її керування.

Here, you see that it's stable,

Бачите: система стабільна.

and even if I give it little nudges,

Попри те, що я її трохи штовхнув,

it goes back --

вона повертається у врівноважене положення.

to the nice, balanced position.

We can also augment the model

Також ми можемо збільшити модель і додати інформацію про те,

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

де у просторі ми хочемо розмістити квад.

Using this pointer, made out of reflective markers,

За допомогою цієї указки, виготовленої з відбивних індикаторів,

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

я вказую місце в просторі, де хочу розмістити квад

a fixed distance away from me.

на заданій відстані від себе.

(Laughter)

The key to these acrobatic maneuvers is algorithms,

Розгадка цих акробатичних маневрів полягає в алгоритмах,

designed with the help of mathematical models

спроектованих за допомогою математичних моделей

and control theory.

і теорії управління.

Let's tell the quad to come back here

Нехай квад повернеться сюди,

and let the pole drop,

а палиця впаде.

and I will next demonstrate the importance

Я продемонструю, як важливо

розуміти фізичні моделі

of understanding physical models

and the workings of the physical world.

та принцип дії фізичного світу.

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

Зауважте, як квад опустився,

коли я поставив на нього склянку води.

Unlike the balancing pole,

На відміну від врівноваженої палиці, я не закладав

I did not include the mathematical model of the glass

математичну модель склянки у систему.

in the system.

Навпаки, система не підозрює, що там є склянка води.

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

Як і раніше, я використовую указку з командою,

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

where I want it to be in space.

де у просторі я хочу розмістити квад.

(Оплески)

(Applause)

(Applause ends)

Okay, you should be asking yourself,

Мабуть ви запитуєте себе,

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

чому вода зі склянки не витікає?

Two facts.

Є дві причини. Перша полягає у тому, що сила тяжіння

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

діє на всі предмети однаково.

The second is that the propellers

Друга причина: всі пропелери спрямовані

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

на склянку, тобто спрямовані вверх.

You put these two things together,

Ці два явища ви складаєте разом, і зрештою

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

всі бічні сили, що діють на склянку, малі,

and are mainly dominated by aerodynamic effects,

й аеродинамічні сили впливають на них в цілому

which at these speeds are negligible.

і є незначними, як і така швидкість.

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

Тому і не потрібна модель склянки.

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

Вода не проливається, що б не робив квад.

(Audience) Oh!

(Applause)

(Оплески)

(Applause ends)

The lesson here

Урок такий: деякі високопродуктивні задачі

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

легші за інші,

and that understanding the physics of the problem

та розуміння фізичної суті проблеми

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

показує вам легкі та важкі завдання.

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

У цьому прикладі підтримання склянки води – легке завдання.

Balancing a pole is hard.

А тримання палиці у рівновазі – важке.

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

Всі ми чули історії атлетів,

що показують свою майстерність, маючи травми.

Can a machine also perform with extreme physical damage?

Чи може машина також показувати вправи

при надзвичайних пошкодженнях?

Conventional wisdom says

Здоровий глузд підказує, що потрібно

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

щонайменш чотири пари закріплених пропелерів для польоту,

because there are four degrees of freedom to control:

бо є чотири ступені рухливості в керуванні:

roll, pitch, yaw and acceleration.

поворот, падіння, відхилення від напрямку та прискорення.

Hexacopters and octocopters, with six and eight propellers,

Гексакоптери та октокоптери із 6-ма та 8-ма пропелерами

can provide redundancy,

виявляють надлишок,

but quadrocopters are much more popular

але квадрокоптери набагато популярніші,

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

тому що мають мінімальну кількість

закріплених пар пропелерів: чотири.

Or do they?

Чи не так?

(Audience) Oh!

(Laughter)

If we analyze the mathematical model of this machine

Якщо проаналізувати математичну модель даної машини

with only two working propellers,

лише з двома працюючими пропелерами,

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

то виявляється незвичайний спосіб її польоту.

We relinquish control of yaw,

У нас відмовляє керування відхиленням від курсу,

but roll, pitch and acceleration can still be controlled

але поворот, падіння та прискорення все ще керовані

with algorithms that exploit this new configuration.

алгоритмами, що використовують нову конфігурацію.

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

Математичні моделі чітко вказують нам,

коли і чому це можливо.

In this instance, this knowledge allows us to design

У цьому випадку дані знання дозволяють нам спроектувати

novel machine architectures

нестандартні механічні структури

або спроектувати розумні алгоритми, які витончено впораються з пошкодженнями,

or to design clever algorithms that gracefully handle damage,

just like human athletes do,

як це роблять люди-атлети,

instead of building machines with redundancy.

а не конструювати машини з надлишковими деталями.

We can't help but hold our breath

У нас перехоплює дух, коли ми бачимо,

when we watch a diver somersaulting into the water,

як водолаз перевертається, стрибаючи у воду,

or when a vaulter is twisting in the air,

або вольтижер звивається у повітрі,

швидко досягаючи землі.

the ground fast approaching.

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

Чи вдасться водолазу домогтися розрізного занурення?

Will the vaulter stick the landing?

Чи зможе вольтижер приземлитися?

Suppose we want this quad here to perform a triple flip

Припустимо, що ми хочемо, щоб цей квад

зробив потрійне сальто та зупинився

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

на тому самому місці, де починав дійство.

This maneuver is going to happen so quickly

Цей маневр відбудеться так швидко,

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

що ми не зможемо вжити зворотній зв’язок та виправити рух під час дійства.

There simply isn't enough time.

Просто не вистачає часу.

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

Навпаки, квад може сліпо виконати цей маневр,

observe how it finishes the maneuver,

спостерігати за закінченням маневру,

and then use that information to modify its behavior

а потім використати цю інформацію для зміни своєї поведінки,

so that the next flip is better.

і тому наступне сальто вже краще.

Similar to the diver and the vaulter,

Як у випадку із водолазом та вольтижером,

it is only through repeated practice

тільки шляхом практики

that the maneuver can be learned and executed

цей маневр можна вивчити та виконати

to the highest standard.

якнайкраще.

(Laughter)

(Applause)

(Оплески)

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

Удар по рухомому м’ячу – вміння, необхідне у багатьох видах спорту.

Яким чином нам змусити машину робити те,

How do we make a machine do

what an athlete does seemingly without effort?

що робить атлет без зусиль?

(Laughter)

(Оплески)

(Applause)

(Applause ends)

This quad has a racket strapped onto its head

Зверху квада розміщена ракетка, прикріплена ременем,

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

завбільшки з яблуко, тобто невелика.

Наступні розрахунки проводяться кожні 20 мілісекунд

The following calculations are made every 20 milliseconds,

or 50 times per second.

або 50 разів за секунду.

We first figure out where the ball is going.

Спочатку ми розраховуємо, куди направляється м’яч.

We then next calculate how the quad should hit the ball

Потім робимо розрахунок щодо удару квада по м’ячу,

тому він і летить туди, звідки його підкинули.

so that it flies to where it was thrown from.

Third, a trajectory is planned that carries the quad

По-третє, запланована траєкторія переносить квад

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

з даного положення до точки удару м’яча.

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

По-четверте, ми реалізуємо лише 20 мілісекунд цієї стратегії.

Twenty milliseconds later, the whole process is repeated

Наступні 20 мілісекунд весь цей процес повторюється,

until the quad strikes the ball.

доки квад не вдарить по м’ячу.

(Applause)

(Оплески)

Machines can not only perform dynamic maneuvers on their own,

Машини не тільки виконують динамічні маневри самостійно,

they can do it collectively.

а й можуть робити це колективно.

These three quads are cooperatively carrying a sky net.

Ці три квади разом несуть повітряну сітку.

(Applause)

(Оплески)

(Applause ends)

They perform an extremely dynamic and collective maneuver

Вони виконують надзвичайно динамічний

та колективний маневр

to launch the ball back to me.

кидання м’яча в зворотному напрямку до мене.

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

Зауважте, що при повному розтягненні положення квадів вертикальне.

(Applause)

(Оплески)

In fact, when fully extended,

Повне розтягнення

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

в 5 разів більше, ніж відчуття у стрибуна з еластичним тросом,

at the end of their launch.

у кінці такого кидка.

The algorithms to do this are very similar

Алгоритми цієї дії дуже схожі

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

на ті, за яких один квад ударив м’яча у напрямку до мене.

Mathematical models are used to continuously re-plan

Математичні моделі вживають, щоб повсякчас переплановувати

a cooperative strategy 50 times per second.

спільну стратегію 50 разів за секунду.

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

Усе, що ми бачили, стосується

машин та їхніх здібностей.

What happens when we couple this machine athleticism

А що трапиться, коли ми об’єднаємо атлетизм машини

with that of a human being?

з атлетизмом людини?

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

Переді мною – комерційний датчик з жестикуляції,

mainly used in gaming.

що використовується переважно в азартних іграх.

It can recognize what my various body parts

Він визначає, що різні частини мого тіла

are doing in real time.

роблять насправді.

Similar to the pointer that I used earlier,

Подібно до указки, яку я використовував раніше,

we can use this as inputs to the system.

ми можемо застосувати це як вхідні сигнали до системи.

We now have a natural way of interacting

У нас є невимушений спосіб взаємодії

with the raw athleticism of these quads with my gestures.

неопрацьованого атлетизму даних квадів з моїми жестами.

(Applause)

(Оплески)

Взаємодія може бути і не віртуальною, а фізичною.

Interaction doesn't have to be virtual.

It can be physical.

Take this quad, for example.

Наприклад, цей квад.

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

Він намагається залишитися на вказаному місці у просторі.

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

Якщо я намагатимусь збити його зі шляху, він мене вдарить

and moves back to where it wants to be.

і повертається туди, де хоче бути.

We can change this behavior, however.

Проте ми можемо змінити таку поведінку.

We can use mathematical models

Ми використаємо математичні моделі

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

для оцінки сили, яку я застосовую до кваду.

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

Якщо знаємо цю силу, то можемо змінити закони фізики

as far as the quad is concerned, of course.

у випадку з квадом, безперечно.

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

Зараз квад поводиться так, наче знаходиться

у в’язкій рідині.

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

У нас є тісна взаємодія

з машиною.

I will use this new capability to position

Я використаю цю нову здібність, щоб розмістити

this camera-carrying quad to the appropriate location

у необхідному місці цей квад із камерою

for filming the remainder of this demonstration.

для відеозапису останньої частини демонстрації.

So we can physically interact with these quads

Таким чином ми фізично взаємодіємо з даними квадами

and we can change the laws of physics.

та можемо змінити закони фізики.

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

Трохи розважмося.

For what you will see next,

Далі ви побачите, як квади

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

спочатку поводитимуться так, наче вони на Плутоні.

As time goes on, gravity will be increased

Час спливатиме, а сила тяжіння зростатиме,

until we're all back on planet Earth,

доки ми не повернемося на планету Земля.

but I assure you we won't get there.

Та я запевняю вас, що ми туди не доберемося.

Okay, here goes.

Так, рухається.

(Laughter)

(Сміх)

(Laughter)

(Сміх)

(Applause)

(Оплески)

Whew!

Оце так-так!

Ви зараз думаєте:

You're all thinking now,

these guys are having way too much fun,

«Ці хлопці забагато розважаються».

and you're probably also asking yourself,

Можливо, ви себе запитуєте:

why exactly are they building machine athletes?

«Чому вони конструюють механічних атлетів?»

Some conjecture that the role of play in the animal kingdom

Хтось здогадається, що роль гри в світі тварин

полягає у відточенні навичок та розвитку здібностей.

is to hone skills and develop capabilities.

Others think that it has more of a social role,

Інші подумають, що більший вплив має соціальна роль,

that it's used to bind the group.

яка і пов’язує групу.

Similarly, we use the analogy of sports and athleticism

Подібно до цього ми вживаємо аналогії щодо спорту та атлетизму

to create new algorithms for machines

для створення нових алгоритмів для машин,

to push them to their limits.

щоб підштовхнути їх до меж їхніх можливостей.

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

Який вплив матиме швидкість машин на наш спосіб життя?

Like all our past creations and innovations,

Як і всі наші попередні творіння та інновації,

they may be used to improve the human condition

це може бути використане для покращення людських умов життя

or they may be misused and abused.

або цим можуть зловживати.

This is not a technical choice we are faced with;

Ми стикаємося не з технічним вибором,

it's a social one.

а із соціальним.

Let's make the right choice,

Робімо правильний вибір:

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

вибір, що призведе до найкращого у майбутньому машин,

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

як атлетизм у спорті

веде до найкращого в нас.

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

Представляю вам чарівників за зеленою завісою.

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

Це чинні представники дослідницької команди «Арена літальних апаратів».

(Applause)

(Оплески)

Federico Augugliaro, Dario Brescianini,

Федеріко Ауґульяро, Даріо Бреш'яніні, Маркус Ген,

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

Сергій Люпашин, Марк Мюллер та Робін Рітц.

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

Спостерігайте за ними. Їм визначено долею здійснити грандіозні речі.

Дякую.

Thank you.

(Applause)

(Оплески)