Return to the talk Return to talk

Transcript

Select language

Translated by Rik Delaet
Reviewed by Els De Keyser

0:22 Wat betekent het voor een machine om atletisch te zijn? We zullen het concept van machine-atletiek demonstreren evenals het onderzoek om het te bereiken met behulp van deze vliegmachines, quadrocopters of korter quads genaamd.

0:37 Quads zijn er al een hele tijd. Hun tegenwoordige populariteit hebben ze te danken aan hun eenvoudige mechanica. Door het controleren van de snelheden van deze vier schroeven, kunnen deze machines rollen, stampen, gieren en versnellen langs hun gemeenschappelijke richting. Ze hebben ook nog een batterij, een computer, diverse sensoren en radio's aan boord.

0:58 Quads zijn uiterst wendbaar, maar deze flexibiliteit heeft haar prijs. Ze zijn inherent instabiel en een vorm van automatische terugkoppelingscontrole is nodig om te kunnen vliegen.

1:15 Hoe deed hij dit? Camera's op het plafond en een laptop dienen als een overdekt global positioning system. Het wordt gebruikt om objecten te lokaliseren in de ruimte door middel van die reflecterende merkpunten. Deze gegevens wordt vervolgens verzonden naar een andere laptop die schattings- en controlealgoritmen uitvoert en op zijn beurt commando's naar de quad stuurt die ook schattings- en controlealgoritmen uitvoert. Het grootste deel van ons onderzoek gaat over algoritmen. Dat is de magie die deze machines tot leven brengt.

1:47 Maar hoe ontwerp je algoritmen om een machine-atleet te maken? In grote lijnen door wat we modelgebaseerd ontwerp noemen. Wij leggen eerst de fysica vast in een wiskundig model van hoe deze machines zich gedragen. We gebruiken een deelgebied van de wiskunde, regeltechniek genoemd, voor het analyseren van deze modellen en ook voor het opstellen van algoritmen om ze te controleren. Zo laten we de quad bijvoorbeeld zweven. We leggen de dynamica vast in een set differentiaalvergelijkingen. Dan manipuleren we deze vergelijkingen met behulp van regeltechniek om algoritmen te maken die de quad stabiliseren.

2:22 Ik toon even de mogelijkheden van deze aanpak. Stel dat we deze quad niet alleen willen laten zweven, maar ook nog deze stok in evenwicht houden. Met een beetje oefening heeft een mens daar geen probleem mee. Maar wij hebben het voordeel van twee voeten op de grond en zeer veelzijdige handen. Dit wordt een beetje moeilijker Ik heb slechts één voet op de grond en ik gebruik mijn handen niet. Let op de reflecterende markering bovenaan de stok. Daardoor wordt hij gelokaliseerd in de ruimte.

3:03 (Applaus)

3:09 Merk de fijne correcties op om de stok in evenwicht te houden. Hoe ontwierpen we de algoritmen hiervoor? Wij combineerden het mathematisch model van de stok met dat van de quad. Wij combineerden het mathematisch model van de stok met dat van de quad. Zodra we een model hebben van het gecombineerde quad-stok-systeem kunnen we met regeltechniek algoritmen maken om te controleren. Je kunt zien dat het stabiel is, zelfs als ik er kleine duwtjes tegen geef, komt het terug naar de evenwichtspositie.

3:39 We kunnen het model ook uitbreiden met waar we de quad willen hebben in de ruimte. Met behulp van deze aanwijzer met reflecterende markeringen kan ik aanwijzen waar ik de quad wil hebben in de ruimte op een vaste afstand van mij. De sleutel tot deze acrobatische manoeuvres zijn algoritmen ontworpen met behulp van wiskundige modellen en regeltechniek. Laten we de quad terugroepen en de stok laten zakken. Vervolgens zal ik het belang aantonen van het begrip van fysische modellen en de werking van de fysische wereld. Merk op hoe de quad hoogte verloor toen ik dit glas water erop zette. In tegenstelling tot de balanceerstok heb ik het wiskundige model van het glas niet in het systeem opgenomen. In feite weet het systeem niet eens dat het glas water er is. Net zoals daarstraks kan ik de aanwijzer gebruiken om de quad te vertellen waar ik hem wil hebben in de ruimte. (Applaus)

5:04 Je zou je moeten afvragen: waarom valt het water niet uit het glas? Je zou je moeten afvragen: waarom valt het water niet uit het glas? Twee redenen: ten eerste werkt de zwaartekracht op alle objecten op dezelfde manier. Ten tweede wijzen alle schroeven in dezelfde richting als het glas, omhoog dus. Het netto resultaat van deze twee dingen samen is dat alle zijdelingse krachten op het glas klein zijn en vooral gedomineerd worden door aërodynamische effecten, die bij deze snelheden te verwaarlozen zijn. Daarom hoef je het glas niet in het model op te nemen. Uit zichzelf morst het niet, wat de quad ook doet.

5:49 (Applaus)

5:56 De les hieruit is dat sommige ingewikkelde taken gemakkelijker zijn dan andere, en dat het inzicht in de fysica van het probleem je vertelt welke gemakkelijk en welke moeilijk zijn. In dit geval is het dragen van een glas water eenvoudig. En een stok balanceren moeilijk.

6:13 We hebben allemaal al verhalen gehoord van atleten die prestaties verrichtten nadat ze fysiek gewond waren geraakt. Kan een machine haar taak ook uitvoeren met extreme fysieke schade? Conventionele wijsheid zegt je dat je ten minste vier vaste motor-propellerparen nodig hebt om te vliegen, omdat er vier graden van vrijheid gecontroleerd moeten worden: rollen, stampen, gieren en versnelling. Hexacopters en octocopters, met zes en acht schroeven, kunnen redundantie bieden, maar quadrocopters zijn veel meer in trek omdat ze het minimum aantal vaste motor-propellerparen hebben: vier. Is dat wel zo? Als we het mathematisch model van deze machine analyseren met slechts twee werkende schroeven ontdekken we dat er een onconventionele manier bestaat om te vliegen. Gieren controleren lukt niet meer, maar rollen, stampen en versnelling kunnen nog steeds worden gecontroleerd met algoritmes die gebruik maken van deze nieuwe configuratie. Wiskundige modellen vertellen ons precies wanneer en waarom dit mogelijk is. In dit geval laat deze kennis ons toe nieuwe machinearchitecturen of slimme algoritmen te ontwerpen die elegant de schade kunnen ondervangen, net zoals menselijke atleten dat doen, in plaats van machines met redundantie te bouwen.

7:51 Vanzelf houden we onze adem in wanneer we kijken naar een duiker die een dubbele schroef maakt of wanneer een hoogspringer een salto maakt in de lucht, terwijl de grond op hem af komt. Zal de duiker mooi het water raken? Zal de hoogspringer goed neerkomen? Stel dat we willen dat deze quad hier een drievoudige salto uitvoert en op exact dezelfde plek neerkomt als waarvan hij vertrok. Deze manoeuvre gaat zo snel dat we geen positiefeedback kunnen gebruiken om de beweging tijdens de uitvoering te corrigeren. Er is gewoon niet genoeg tijd. De quad kan dit manoeuvre blindelings uitvoeren, observeren hoe hij eindigt en die informatie gebruiken om het gedrag aan te passen zodat zijn volgende salto beter is. Vergelijkbaar met de duiker en de hoogspringer kan de manoeuvre alleen door middel van herhaalde praktijk worden geleerd en uitgevoerd tot de hoogste norm.

8:45 (Applaus)

8:50 Een bewegende bal raken, is een noodzakelijke vaardigheid in vele sporten. Hoe laten we een machine doen wat een atleet schijnbaar zonder moeite kan?

9:14 (Applaus)

9:21 Deze quad heeft een racket op zijn kop met een ‘sweet spot’ ongeveer ter grootte van een appel, niet al te groot dus. De volgende berekeningen gebeuren elke 20 milliseconden of 50 keer per seconde. Eerst bepalen we waar de bal naartoe gaat. Dan berekenen we hoe de quad de bal moet raken zodat hij terugkeert naar zijn uitgangspunt. Ten derde wordt een baan bepaald die de quad van zijn huidige positie naar het raakpunt met de bal brengt. Ten vierde voeren we alleen maar 20 milliseconden van die strategie uit. Twintig milliseconden later wordt het hele proces herhaald totdat de quad de bal raakt.

10:06 (Applaus)

10:09 Machines kunnen niet alleen op zichzelf dynamische manoeuvres uitvoeren, ze kunnen het ook samen doen. Deze drie quads dragen coöperatief een vangnet.

10:27 (Applaus)

10:32 Zij voeren een uiterst dynamisch en collectief manoeuvre uit om de bal terug naar mij te gooien. Merk op dat deze quads bij volledige uitrekking verticaal staan. (Applaus) In feite voelen ze bij volledige uitrekking een ongeveer vijf keer grotere kracht dan een bungeespringer aan het einde van zijn val.

11:02 Deze algoritmen zijn zeer vergelijkbaar met die van de enkele quad om de bal naar mij terug te slaan. Wiskundige modellen worden gebruikt om continu 50 keer per seconde een coöperatieve strategie te herplannen.

11:15 Alles wat we tot nu toe hebben gezien, ging over de machines en hun mogelijkheden. Wat gebeurt er als we deze machine-atletiek met die van een mens koppelen? Ik heb hier een commerciële gebarensensor voornamelijk gebruikt bij het gamen. Hij herkent wat mijn verschillende lichaamsdelen in real time doen. Vergelijkbaar met de aanwijzer die ik al eerder gebruikte, kunnen we dit gebruiken als input voor het systeem. We hebben nu een natuurlijke manier van interactie van de ruwe atletiek van deze quads met mijn gebaren.

12:21 (Applaus)

12:34 Interactie hoeft niet virtueel te zijn. Het kan ook fysiek. Neem bijvoorbeeld deze quad. Hij probeert om op een vast punt in de ruimte te blijven. Als ik hem probeer te verplaatsen, vecht hij tegen en gaat terug naar waar hij wil zijn. We kunnen dit gedrag echter wijzigen. Met wiskundige modellen kunnen we de kracht schatten die ik uitoefen op de quad. Zodra we deze kracht kennen, kunnen we ook de wetten van de fysica veranderen. Die van de quad, natuurlijk. Hier gedraagt de quad zich alsof hij in een kleverige vloeistof zit.

13:13 We hebben nu een intieme manier van interactie met een machine. Ik gebruik nu deze nieuwe mogelijkheid om deze quad-met-camera op de juiste locatie te plaatsen om de rest van deze demonstratie te filmen.

13:35 We kunnen nu fysiek met deze quads communiceren en de wetten van de fysica veranderen. Laten we daar eens een beetje lol mee maken. Deze quads gaan zich gedragen alsof ze op Pluto zijn. Geleidelijk aan zal de zwaartekracht toenemen totdat we allemaal terug op de Aarde zijn. Maar ik verzeker jullie dat we er niet zullen geraken. Oké, hier gaan we.

14:04 (Gelach)

14:33 (Gelach)

14:36 (Applaus) Oef! Jullie denken nu allemaal zeker dat deze jongens veel te veel plezier hebben. Waarschijnlijk vraag je jezelf ook af waarom ze eigenlijk die machine-atleten maken. Sommigen vermoeden dat spelen in het dierenrijk dient om vaardigheden aan te scherpen en vermogens te ontwikkelen. Anderen zien er meer een sociale rol in voor het versterken van de groepsbinding. Zo gebruiken wij de analogie met sport en atletiek voor het maken van nieuwe algoritmen voor machines om ze tot hun uiterste mogelijkheden te dwingen. Welke gevolgen zal de snelheid van machines hebben op onze manier van leven? Zoals onze vroegere creaties en innovaties kunnen ze worden gebruikt ter verbetering van het menselijk bestaan, maar ze kunnen ook worden misbruikt. Het is geen technische keuze waar wij mee worden geconfronteerd, maar een sociale keuze. Laten we de juiste keuze maken, de keuze die het beste haalt uit de toekomst van de machines, net zoals atletiek in de sport het beste uit ons kan halen.

15:35 Laat me jullie de tovenaars achter de schermen voorstellen. Het zijn de huidige leden van het onderzoeksteam Flying Machine Arena. (Applaus) Federico Augugliaro, Dario Brescianini, Markus Hehn, Sergei Lupashin, Mark Muller en Robin Ritz. Hou ze in de gaten. Ze zijn voorbestemd voor grote dingen.

15:53 Bedankt.

15:55 (Applaus)