Рафаело Д'Андреа (Raffaello D'Andrea): Невероватна атлетска моћ квадрокоптера

У лабораторији робота на TEDGlobal-у, Рафаело Д'Андреа показује своје летеће квадрокоптере: роботе који размишљају као спортисти и решавају физичке проблеме уз помоћ алгоритама за учење. У низу лепих примера, Д'Андреа показује беспилотне летелице које хватају, одржавају равнотежу и заједно одлучују - и пазите на демо "Хоћу-то-одмах" са кинект-контролисаним квадовима.

Дакле, шта је то атлетскa машина?

Показаћемо вам концепт спортске машине

и истраживање да би се то остварило

уз помоћ ових летећих машина
названих квадрокоптери

или скраћено квадови.

Квадови су присутни већ дуго.

Разлог што су тако популарни
ових дана

је зато што су механички једноставни.

Контролом брзине
ова четири пропелера,

ове машине могу да се котрљају,
додају, мењају правац

и да убрзавају
дуж заједничког правца.

На уређају је такође
и батерија, компјутер,

разни сензори и бежични радио.

Квадови су веома агилни,
али ова агилност има цену.

Они су у суштини нестабилни
и треба им неки вид

аутоматске повратне контроле,
како би могли да лете.

Како je то урадио?

Камере које су на плафону и лаптоп

служе као затворени систем
глобалног позиционирања.

Користе се за проналажење
објеката у простору

који имају ове рефлектујуће
маркере на себи.

Ови подаци се затим шаљу
на други лаптоп

који ради процењивање
и контролу алгоритама,

што заузврат шаље команде на квад,

на ком се одвијају алгоритми
за процену и контролу.

Највећи део нашег истраживања
су алгоритми.

То је чаролија која даје живот
овим машинама.

Дакле, како се дизајнирају алгоритми

за прављење машине спортисте?

Kористимо нешто што се зове
дизајн заснован на моделу.

Прво математичким моделом
опишемо физику

понашања машине.

Онда користимо грану математике

која се зове теорија контроле,
за анализу ових модела

и за синтезу алгоритама
за њихову контролу.

На пример, тако можемо
да направимо лебдећи квад.

Прво смо освојили динамику

сетом диференцијалних једначина.

После смо обрадили ове једначине
уз помоћ

теорије контроле да бисмо направили
алгоритме који стабилизују квад.

Допустите ми да демонстрирам
јачину овог приступа.

Претпоставимо да желимо
да овај квад не само лебди

већ и да ову мотку
држи у равнотежи.

Уз мало вежбе,

за човека је прилично једноставно
да то ради,

иако ми имамо предност

да смо са две ноге на земљи

и да користимо руке
на разне начине.

Ово постаје мало теже

када сам само једном ногом
на земљи

и када не користим своје руке.

Обратите пажњу како овај штап
има рефлектујући маркер на врху,

што значи да може да се лоцира.

(Аплауз)

Можете приметити да овај квад
фино подешава

равнотежу штапа.

Како смо дизајнирали
алгоритме за то?

Додали смо математички
модел штапа

моделу квада.

Када добијемо комбиновани модел,
онда можемо

да користимо теорију контроле
за прављење алгоритама за контролу.

Ево, видите да је стабилно,

па чак и ако се мало гурне,

враћа се у леп, стабилан положај.

Такође можемо повећати модел
да бисмо укључили

положај квада у простору.

Користећи овај показивач
од рефлектујућег маркера,

могу да одредим положај
квада у простору

на фиксном одстојању од мене.

Кључ овог акробатског маневра
су алгоритми,

направљени уз помоћ
математичких модела

и контролне теорије.

Хајде да кажемo кваду
да се врати овде,

нека штап падне

и показаћу значај

разумевања физичких модела

и рада у физичком свету.

Обратите пажњу како квад губи висину

када ставим ову чашу воде на њега.

За разлику од штапа који балансира,
нисам укључио

математички модел чаше у систем.

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

Као и раније, могу да користим показивач
да му кажем

где желим да буде.

(Аплауз)

ОК, требало би да се питате,

зашто се вода из чаше не проспе?

Две чињенице: прва је
да гравитација делује

на све објекте на исти начин.

Друга је да сви пропелери показују

у истом правцу чаше, на горе.

Ставите заједно ове две ствари,
резултат је

да су све бочне силе
на чаши мале

и углавном их диктирају
аеродинамични ефекти,

који су занемарљиви
као ове брзине.

И зато не треба
да се моделира чаша.

Наравно, не просипа се
без обзира шта квад ради.

(Аплауз)

Овде смо научили да су
неки задаци високих перформанси

лакши од других

и да разумевање физике проблема

говори који су лаки,
а који тешки.

У овом случају,
лако је носити чашу воде.

Балансирање штапа је тешко.

Сви смо чули приче о спортистима

који постижу подвиге
док су повређени.

Може ли и машина радити

са екстремним физичким оштећењем?

До сада знамо да су потребна

најмање четири пара
моторних пропелера да би летео

јер постоје четири степена
слободе за контролу:

обртање, бацање,
промена правца и убрзање.

Хексакоптери и октокоптери,
са 6 и 8 пропелера,

обезбеђују сувишност,

али квадрокоптери су
много популарнији

јер имају најмањи број

основних парова
моторних пропелера: 4.

Заиста?

Ако се анализира математички
модел ове машине

са само 2 пропелера који раде,

откривамо да постоји неконвенционалан
начин летења.

Губимо контролу промене правца,

али окретање, бацање и убрзање
се још увек могу контролисати

алгоритмима који користе
ову нову конфигурацију.

Математички модели нам кажу када

и зашто је то могуће.

У овом случају, то нам омогућава
да дизајнирамо

нове архитектуре машина

или да дизајнирамо паметне алгоритме
који елегантно решавају штету,

баш као што то раде спортисти,

уместо да правимо машине
које имају вишак.

Остајемо без даха када гледамо

рониоца како се преврће у води

или када се скакач окреће у ваздуху,

а земља се брзо приближава.

Да ли ће ронилац моћи
да изађе на време?

Да ли ће акробата
срећно стићи на земљу?

Претпоставимо да желимо
да овај квад

направи троструки салто и заврши

на истом месту где је почео.

Овај маневар ће се догодити тако брзо

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

Једноставно нема довољно времена.

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

сними како је завршио

и онда узме ту информацију
како би променио своје понашање

да би следећи окрет био бољи.

Слично као ронилац и акробата,

само кроз поновљено вежбање

маневар се може научити и извршити

према највишем нивоу.

(Аплауз)

Неопходна вештина многих спортова
је ударање лопте у покрету.

Како да направимо машину која ради

оно што спортиста ради
наизглед без напора?

(Аплауз)

Овај квад има рекет
привезан на свом челу

са циљним местом величине
као јабука, дакле не превеликим.

Следећи прорачуни се врше сваких
20 милисекунди

или 50 пута у секунди.

Прво гледамо где лопта иде.

Затим рачунамо како би квад
требало да погоди лопту

тако да она одлети на место
одакле је бачена.

Треће, путања је пројектована
да носи квад

од тренутног положаја
до тачке удара лопте.

Четврто, извршавамо само
20 милисекунди те стратегије.

Двадесет милисекунди касније,
цео поступак се понавља

све док квад не удари лопту.

(Аплауз)

Машине могу да изводе
и своје динамичке маневре

и то могу да раде заједнички.

Ова 3 квада заједнички носе мрежу.

(Аплауз)

Они обављају изузетно динамичан

и колективни маневар

да пошаљу лопту мени назад.

Приметите да су ови квадови вертикални
у потпуном опружању.

(Аплауз)

У ствари, када је потпуно опружен,

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

на крају свог лансирања.

Алгоритми за ово
су веома слични онима

које користи један квад
да би вратио лопту мени.

Математички модели се користе
све време и поново срачунавају

заједничку стратегију
50 пута у секунди.

Све што смо видели до сада је било

о машинама и њиховим могућностима.

Шта се дешава када ове машине атлете

искомбинујемо са људима атлетама?

Испред мене је комерцијални
сензор за покрете

који се углавном користи у играма.

Он може да препозна
шта разни делови мога тела

раде у реалном времену.

Слично показивачу
који сам користио раније,

ово можемо користити
као улазни податак у систем.

Сада имамо природан начин интеракције

сирове атлетике ових квадова
и мојих покрета.

(Аплауз)

Интеракција не мора да буде виртуелна.
Може бити физичка.

На пример, овај квад.

Покушава да остане у фиксној тачки
у простору.

Ако покушам да га померим са пута,
он се супротставља

и премешта тамо где жели да буде.

Међутим, можемо променити
ово понашање.

Можемо користити математичке моделе

да бисмо проценили силу
која се примењује на квад.

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

док год је квад у питању, наравно.

Овде се квад понаша као да је

у вискозној течности.

Сада имамо близак начин

интеракције са машином.

Користићу ову нову могућност
за позиционирање

ове камере која носи квад
до одговарајуће локације

за снимање преосталог дела
ове демонстрације.

Дакле, физички можемо
да делујемо са квадовима

и можемо да променимо законе физике.

Хајде да се мало забавимо са овим.

Сада ћете видети ове квадове

који ће се испрва понашати
као да су на Плутону.

Како време пролази,
повећаваће се гравитација

док се не вратимо на Земљу

али уверавам вас
да нећемо стићи тамо.

ОК, ево почиње.

(Смех)

(Смех)

(Аплауз)

Уф!

Сви сада мислите

да се ови момци превише забављају

и вероватно се такође питате:

"Због чега они праве
ове машине атлете?"

Неки ће претпоставити
да игра у животињском царству

има улогу да унапреди вештине
и развије способности.

Други, да има друштвенију улогу,

да се користи да се група веже.

Слично, користимо аналогију
спорта и атлетике

да бисмо створили
нове алгоритме за машине

да их гурнемо до граница.

Колико ће брзина машина имати
утицаја на наш начин живота?

Као и код свих наших претходних
креација и иновација,

могу се користити
за побољшање људског живота

или се погрешно користити
и злоупотребити.

Не суочавамо се
са техничким избором;

већ друштвеним.

Хајде да направимо прави избор

најбољи избор будућности машина,

баш као што атлетика

може извући најбоље у нама.

Дозволите ми да вас упознам
са чаробњацима иза зелене завесе.

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

(Аплауз)

Федерико Аугуљаро, Дарио Брешанини,
Маркус Хен,

Сегеј Лупашин, Марк Милер
и Робин Риц.

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

Хвала.

(Аплауз)