四轴飞行器灵活的运动性能

在TEDGlobal的机器人试验室里，拉菲洛·安德烈展示了如运动员一般思考的四轴飞行器，四轴飞行器能根据被输入的运算法则灵活解决问题。在一系列漂亮演示中，安德烈展示了飞行器如何接球，掌握平衡及如何与人一同作出决定。让我们一同关注由Kinect控制的四轴飞行器精彩表演。

机器的运动性能指的是什么？

我们将向你展示机器运动性能的概念

及对此所做的相关研究工作。

我们将借助这些被称为四轴飞行器

或简称“四轴”的飞行机器人来做演示。

四轴飞行器存在有很长一段时间了。

它们之所以如此受欢迎，

是因为它们机械构造简单。

只要通过控制四个螺旋桨的速度，

飞行器便可完成横滚、俯仰、偏摆等动作

并能沿着同一个方向加速。

飞行器上还装有电池、电脑

及各种感应器和无线收发器。

四轴飞行器运行极其灵活，但也正因其灵活性，

它运行却相对不稳定，需要某种形式的

自动反馈装置控制才能顺利飞行。

那么，它是如何完成刚才的动作的呢？

天花板上的摄像机与笔记本电脑配合

成为室内的定位系统，

用来定位在空间中

带有反光感应的飞行器。

收集到的数据被发送到

正在进行运行估算的另一台电脑上，

电脑将指令反馈给

也在运行估算的四轴飞行器上。

我们的大部分时间是花在研究运算法则上

正是这些运算法赋予了机器新生命。

那么 如何设计运算法则

来让机械具有运动员一般的灵活性呢？

我们采用称为 “基于模型设计” 的方法

首先，我们以数学模式来形容

机器运作的物理特征

然后使用数学理论的分支 — 控制理论

来分析这些数学模式，

与集合各种算法来控制他们。

举例说明，这就是我们如何能让飞行器在空中悬浮：

我们先以微分方程式来

描述悬浮的物理现象。

然后使用控制理论来重整这些方程式，

进而得出稳定飞行器的运算法。

现在我来演示这种计算方法的优势。

假如，我们想让飞行器不仅在空中悬浮，

而且还能平衡这支杆子

只要稍加练习，

对人来说，轻易就能让杆子平衡

我们的优势是，

我们以双脚支撑平稳地站立，

及我们灵活的双手。

这样就会比较困难，

当我只用一只脚站立，

也不用手来掌握平衡。

注意，这支杆子顶上有个感应器，

意味着杆子能够被电脑定位。

（掌声）

你可以注意到四轴飞行器在进行微调，

来保持杆子平衡。

我们如何设计运算法来完成这个任务呢？

我们把杆子的数学模式

加入到四轴飞行器的数学模式上。

一旦得出四轴飞行器与杆综合系统的模式，

我们就可采用控制理论设计运算法来控制它们。

你看到它已经稳定了，

就算我稍微触动它一下，

它也会回到平衡位置。

我们还可在该模式中加入

操控决定飞行器在空中的位置。

使用有感应器的指示器，

我可以决定飞行器，在离我一定的距离内

在空中停留的位置

能够让飞行器做到这些动作的关键是

借助于数学模式

和控制理论设计的运算法。

我们让这个四轴飞行器回到这里，

把杆子取下来。

我接下来将演示

理解物理模型

和物理世界运作的重要性。

注意在我把这杯水放上去时，

这个四轴飞行器怎样降低高度。

不像平衡杆子，这个系统里我不包括

玻璃杯的数学模型。

事实上，这系统甚至不知道有杯水在那儿。

像刚才那样，我可以用指示器指令四轴飞行器

停在任何一个我指示它去的位置。

（掌声）

好， 也许你们会问

为什么水不会从玻璃杯里洒出来？

有两个事实：第一个是引力

以同样的方式作用在所有物体上。

第二个是螺旋桨都指向

玻璃杯的同一个方向，朝上。

把这两个事实和在一起，最终结果

是玻璃杯上的所有侧力小，

又主要受空气动力学效应控制，

因此这些速度是微不足道的。

这就是为什么不需要给玻璃杯建立模型。

不管四轴飞行器怎样飞行，玻璃杯里的水自然不洒。

（掌声）

这里的教训是一些高性能作业

比其它作业更容易。

而理解这个问题背后的物理学，

你就会知道哪些容易，哪些困难

在这种情况下，放一杯水很容易

平衡一个杆子很难

我们都听过这样的故事，

运动员身体受伤时表现出的壮举。

四轴飞行器外形极端受损时，

是否也能飞？

传统观念认为

至少需要四对固定电机螺旋桨来飞，

因为要控制四个自由度：

滚转、俯仰、偏摆 和加速。

六轴飞行器和八轴飞行器各带有带六个和八个螺旋桨

可以提供冗余。

但四轴飞行器更普遍，

因为它们的固定电动螺旋桨数量最少：

四个。

是吗？

如果我们分析一下只带两个工作螺旋桨的

飞行器的数学模型，

会发现有一个非常规的飞行方式。

我们不控制偏摆，

但利用这个新配置的算法

滚动、俯仰和加速仍然可以得到控制。

数学模型确切地告诉我们什么时候

和为什么这是可能的。

在这种情况下，这方面的知识使我们能够设计

新颖的机器架构

或设计巧妙的算法，妥善处理损害，

就像人类运动员一样，

而不是建造具有冗余的机器。

我们禁不住屏住呼吸观看

跳水运动员翻腾入水，

或撑杆跳高运动员快速下落时，

在空中扭转身体。

跳水运动员能压水花入水吗？

撑杆跳高运动员会平稳落地吗？

假设我们让这个四轴飞行器

在同一地点

开始并完成翻转三圈。

这个动作会发生得很快

以至我们不能使用位置反馈信号
来纠正执行过程中的运动

只是没有足够的时间。

相反四轴所能做的就是盲目执行操作，

观察它完成操作的方式，

然后利用这信息修改它的行为，

以便下一个翻转做得好些。

类似于跳水运动员和撑杆跳高运动员，

只有通过反复练习

才能学会这个动作

并最高水平地来完成它。

（掌声）

击打运动中的球是许多体育项目中的一个必要技能

我们如何让一台机器做

对一个运动员来说看似毫不费力的事呢？

（掌声）

这个四轴飞行器顶上绑有一个球拍

差不多苹果大小的最佳击球位置，不能太大。

每二十毫秒进行下面的计算，

或每秒50次。

我们首先搞清球的去向。

然后计算四轴飞行器应该怎样击球

使它飞回被抛出的位置。

第三，计划一个携带四轴飞器的轨道

从目前的状态到球的落点。

第四，我们只执行值20毫秒的战略。

二十毫秒以后，重复整个过程，

直到四轴飞行器击到球。

（掌声）

机器不仅可以自己执行动态操作，

还可以一起来进行。

这三个四轴飞行器在空中共同支起一张网。

（掌声）

它们执行一个非常动态的

集体行动

将球回传给我。

注意网完全伸展时，这些四轴飞行器是垂直的。

（掌声）

事实上， 完全伸展时，

这大约是五倍于

蹦极者跳到最低点的力量。

计算这个的算法非常类似于

用单个四轴飞行器击球回传给我。

使用数学模型不断重新规划

一个每秒50次的合作策略。

目前我们所看到的一切

是机器和自己的能力。

当我们把机器的运动天赋

和人的运动天赋连接起来会发生什么呢？

我面前的是一个商业用的姿势传感器，

主要用于游戏。

它可以识别我身体的不同部位

实时地在做什么。

类似于我前面用的指示器，

我们可以用这个作为系统的输入。

我们现在有一种自然的方式，

让这些四轴的原始的运动天赋和我的手势交互。

（掌声）

交互不一定是虚拟的，它可以是物质的。

例如这个四轴飞行器，

它正设法呆在空间里的一个固定点上。

如果我试图让它离开，它就抵抗我，

回到它想呆的地方。

然而我们可以改变这种行为。

我们能利用数学模型

估计我正施加在四轴飞行器上的力。

一旦知道了这个力，我们也可以改变物理定律，

当然就四轴飞行器而言。

这里四轴飞行器表现得好像它

在粘性流体中。

我们现在用一种亲密的方式

来和机器进行交互。

我将用这个新的能力来把

这个带有摄相机的四轴飞行器定位在合适的位置

拍下剩下的演示。

这样我们可以实际与这些四轴交互

并能改变物理定律。

让我们从中得到一点小小的乐趣。

你们接下来要看到的，这些四轴飞行器

会最初表现为好像它们在冥王星上。

随着时间的变化，引力会增加

直到我们都回到地球上。

但是我向你们保证我们不会的。

好，开始 。

（笑声）

（笑声）

（掌声）

呼！

你们现在都在想，

这些家伙太有意思了，

你们大概也在问自己，

他们到底为什么建造机器运动员？

一些人猜想，在动物王国中发挥的作用

是磨练技能和发展能力。

其他的人则认为它有更多的社会作用，

可以用来组织团队。

同样，我们使用体育和运动的类比

创建了机器的新算法

使它们达到自己的极限。

机器的速度对我们的生活方式会有什么影响呢？

像所有我们过去的创造和创新一样，

它们要么可以用来改善人类生存条件

要么可能被误用和滥用。

这不是我们正面临的技术选择，

而是一个社会选择。

让我们做出正确的诀择，

这个选择带来未来机器最好的东西，

就像体育中的运动

能给我们带来最好的东西一样。

让我来给你们介绍一下这个绿幕背后的奇才们。

他们是飞行器竞技场研究队的现任成员。

（掌声）

Federico Augugliaro, Dario Brescianini , Markus Hehn,

Sergei Lupashin, Mark Muller 和 Robin Ritz。

留心这些人，他们注定要成就大事。

谢谢。

（掌声）