אז מה זה אומר שמכונה היא אתלטית?
נציג כאן את התפיסה לגבי אתלטיות של מכונה
ואת עבודת המחקר כדי להשיגה
בעזרת המכונות המעופפות הללו הנקראות מסוקי-קואד,
או בקיצור, קואד.
המסוקים נמצאים איתנו כבר זמן רב.
הסיבה שהם כה פופולרים בימינו היא היותן פשוטים מבחינה מיכנית.
באמצעות שליטה על מהירות הסיבוב ארבעת הרוטורים הללו,
הכלים יכולים להתגלגל, להיטות ולעלרד,
לשנות כיוון ולהאיץ בכיוון אחד משותף לכולם.
הם נושאים עליהם סוללה, מחשב,
חיישנים שונים ורדיו אלחוטי.
המסוקים מאוד קלי תנועה, אבל קלות זו גובה מחיר.
הם לא יציבים ביסודם
והם זקוקים לאיזה שהוא משוב עם בקרה אוטומטית
כדי להיות מסוגלים לטוס.
אז כיצד עושים זאת?
מצלמות בתקרה ומחשב נייד
משמשים כמערכת מיקום גלובלית במתחם סגור.
היא משמשת לאיתור עצמים במרחב
שנושאים עליהם סמנים מחזירים אלה.
נתונים הללו משוגרים למחשב נייד אחר
שמריץ אלגוריתמים של אומדן ובקרה,
שבתורו שולח פקודות לכלי-הטיס,
שאף הוא מריץ אלגוריתמי אומדן ובקרה.
הנתח העיקרי של המחקר שלנו הוא אלגוריתמים.
הם הקסם שמעורר לחיים את הכלים הללו.
אז כיצד בונים את האלגוריתמים שיוצרים את האתלט המכני?
אנו משתמשים במה שנקרא בגדול תכנון מבוסס-מודלים.
תחילה אנו מנתחים את הפיזיקה
בעזרת מודל מתמטי של איך המכונה מתנהגת.
לאחר-מכן אנו משתמשים בענף מתמטי שנקרא תאוריית בקרה
כדי לנתח מודלים אלה
וגם כדי למזג אלגוריתמים בשביל לשלוט בהם.
לדוגמא, כך אנו גורמים לכלי לרחף.
תחילה הכרנו את הכוחות והתנועות בעזרת מערכת משוואות דיפרנציאליות.
לאחר-מכן שינינו משוואות אלו בעזרת תאוריית בקרה
כדי ליצור אלגוריתמים אשר מייצבים את הכלי.
אציג עכשיו את יתרונות הגישה הזו.
נניח שאנו רוצים שהכלי הזה לא רק ירחף
אלא גם יחזיק מוט זה בשיווי-משקל.
עם קצת תרגול,
זה די קל לאדם לבצע זאת,
גם בגין היתרון של שתי רגלינו על הקרקע
ובגין השימוש בידינו בעלות היכולות הרב-גוניות.
זה הופך לקצת יותר קשה
כאשר יש לי רק רגל אחת על הקרקע
ואיני משתמש בידיי.
שימו לב שלמוט זה מוצמד סמן למעלה,
שזה אומר שניתן לאתר את מיקומו במרחב.
(קהל) אוה!
(מחיאות כפיים)
(מחיאות כפיים מסתיימות)
ניתן לראות שכלי זה עושה תיקונים קלים
כדי לשמור על איזון המוט.
כיצד בנינו את האלגוריתמים העושים זאת?
הוספנו את המודל המתמטי של המוט
לזה של המסוק.
ברגע שיש את המודל המשולב של מערכת מסוק-מוט,
ניתן להשתמש בתיאוריית בקרה כדי ליצור אלגוריתמים שישלטו בה.
הנה, ניתן לראות שהוא יציב,
ולמרות אני נותן לו מכות קלות,
הוא חוזר
למצב של שיווי-משקל.
אנו גם יכולים להרחיב את המודל
שיכלול את מיקומו הרצוי לנו של הכלי במרחב.
בעזרת מצביע זה שעשוי מסמנים מחזירים,
אפשר להצביע על המיקום הרצוי לנו של הכלי במרחב,
במרחק הקבוע מראש ממני.
(צחוק)
המפתח לתמרונים האקרובטיים הללו הם אלגוריתמים,
שנבנו בעזרת מודלים מתמטיים
ותאוריית בקרה.
כעת נאמר למסוק לחזור לכאן
ונתן למוט ליפול.
אתאר כעת את החשיבות
שבהבנת המודלים הפיזיקליים
ושל דרך-הפעולה של העולם הפיזי.
שימו לב איך הכלי איבד גובה כשהנחתי עליו כוס מים.
שלא כמו המוט המאוזן,
לא הכללתי את המודל המתמטי של הכוס.
במערכת
למעשה, המערכת אפילו אינה יודעת שכוס המים נמצאת עליה.
כמו מקודם, יכולתי להשתמש במצביע כדי לומר למסוק
היכן אני רוצה שהוא ישהה במרחב.
(מחיאות כפיים)
(מחיאות כפיים מסתיימות)
אתם צריכים לשאול את עצמכם,
כיצד המים לא נשפכים מהכוס?
שתי עובדות:
הראשונה היא שכוח-המשיכה פועל על כל העצמים באותו אופן.
השנייה הוא שהרוטורים כולם מצביעים
באותו כיוון של הכוס, מכוונים מעלה.
כאשר מחברים את שני הדברים, התוצאה הסופית היא
שכל הכוחות המשניים על הכוס הם קטנים
ומושפעים בעיקר מאפקטים אווירודינמיים,
שבמהירויות אלו הם זניחים.
וזו הסיבה מדוע אין צורך לבנות מודל לכוס.
באופן טבעי המים לא נשפכים ולא משנה מה המסוק עושה.
(קהל) אוה!
(מחיאות כפיים)
(מחיאות כפיים מסתיימות)
הלקח כאן
הוא שחלק מהמשימות הדורשות ביצועים גבוהים הן קלות יותר מאחרות,
ושההבנה הפיזיקלית של הבעיה
אומרת לנו אלו בעיות הן קלות ואלו קשות.
במקרה זה, לשאת כוס מים זה קל.
לשמור על שיווי-משקל של מוט זה קשה.
כולנו שמענו סיפורים על ספורטאים שמגיעים להישגים גבוהים בעודם פצועים.
האם גם מכונה מסוגלת לביצועים כאשר יש לה נזק חמור?
הדעה המקובלת היא
שצריך לפחות 4 זוגות של רוטורים כדי לטוס,
מכיוון שיש 4 דרגות חופש שצריך לשלוט בהן:
גלגול, עלרוד, סיבסוב ותאוצה.
למסוקים בעלי 6 ו-8 רוטורים,
יש יתירות,
אבל מסוקי-רביעייה הרבה יותר נפוצים
כי יש להם את המספר המינימלי של רוטורים: 4
האמנם?
(קהל) אןה!
(צחוק)
כאשר מנתחים את המודל המתמטי של מכונה זו
עם שני רוטורים פועלים בלבד,
מגלים שיש דרך יוצאת-דופן להטיסה.
מוותרים על השליטה בסיבסוב,
אבל עדיין ניתן לשלוט בגלגול, עלרוד ותאוצה
באמצעות אלגוריתמים המנצלים תצורה חדשה זו.
מודלים מתמטיים אומרים לנו בדיוק מתי וכיצד זה אפשרי.
במקרה זה, ידע כזה מאפשר לנו לתכנן
כלי-טיס בעלי צורות חדשניות
או לבנות אלגוריתמים חכמים המתמודדים ביעילות עם נזק,
ממש כמו ספורטאים אנושיים,
במקום לבנות כלי-טיס עם מערכות כפולות לגיבוי.
אין אנו יכולים שלא לעצור את נשימותינו
כאשר אנו צופים בקופץ לבריכה עושה סלטות באויר,
או כאשר קופץ במוט מסתחרר באויר,
בהתקרבם במהירות לקרקע.
האם הקופץ לבריכה יימנע מכניסה חזיתית למים?
האם הקופץ במוט ינחת בשלום?
נניח שברצוננו שהכלי הזה יבצע גילגול משולש
ויסיים באותה נקודה שבה התחיל.
תימרון זה יתבצע כה מהר
שאין אפשרות להשתמש במשוב לגבי מיקום כדי לבצע תיקוני תנועה במהלך הטיסה.
פשוט אין מספיק זמן.
במקום זה, הכלי יכול לבצע את התימרון על עיוור,
להבין כיצד התימרון מסתיים,
ואז להשתמש במידע כדי לתקן את התנהגותו
כך שהגילגול הבא ישתפר.
בדומה לקופץ לבריכה או הקופץ במוט,
רק באמצעות תירגולים חוזרים
ניתן ללמוד את התימרון
ולבצעו ברמה הגבוהה ביותר.
(צחוק)
(מחיאות כפיים)
היכולת לחבוט בכדור שנע חיונית בענפי ספורט רבים.
כיצד ניתן לגרום למכונה
לעשות את מה שהספורטאים עושים לכאורה ללא מאמץ?
(צחוק)
(מחיאות כפיים)
(מחיאות כפיים מסתיימות)
למסוק זה יש מחבט המוצמד לראשו,
בעל משטח החזרה בערך בגודל תפוח, שזה לא גדול במיוחד.
החישובים הבאים נערכים כל 20 מילישניות,
או 50 פעם בשניה.
תחילה אנו מחשבים לאן הכדור נע.
לאחר-מכן מחשבים כיצד המסוק צריך לפגוע בכדור
כך שיעוף בחזרה לאותו מקום שממנו יצא.
שלישית, מחושב המסלול שמוביל את המסוק מהמיקום
הנוכחי שלו לנקודת המפגש עם הכדור.
רביעית, אנו מוציאים לפועל רק 20 מילישניות מתוך אותו חישוב.
בעוד 20 מילישניות, חוזרים על כל התהליך
עד שהמסוק מכה את הכדור בחזרה.
(מחיאות כפיים)
הכלים לא רק מבצעים תימרונים דינמיים באופן עצמאי,
הם אף יכולים לעשות זאת בצוותא.
שלושת המסוקים הללו נושאים בצוותא רשת.
(מחיאות כפיים)
(מחיאות כפיים מסתיימות)
הם מבצעים בצוותא תימרון חד באופן קיצוני
כדי לשגר את הכדור בחזרה אליי.
שימו לב שבמתיחה המכסימלית, המסוקים במצב אנכי.
(מחיאות כפיים)
בעצם, במתיחה המכסימלית,
זה בערך פי-5 יותר חזק ממה שחש קופץ באנג'י
בסוף קפיצתו.
האלגוריתמים שמבצעים זאת
דומים מאוד לאלו ששימשו להכות בכדור בחזרה אליי.
מודלים מתמטיים משמשים לתיכנון
מחזורי ומתמשך של אסטרטגייה משותפת 50 פעם בשניה.
כל מה שראינו עד עתה היה קשור במכונות וביכולותיהן.
מה קורה כאשר מזווגים את היכולת הספורטיבית של מכונה זו
עם זו של האדם?
מה שמונח לפניי זה חיישן מסחרי של תנועות אנושיות
אשר משמש בעיקר במשחקים.
הוא מסוגל לזהות בזמן-אמת מה האיברים השונים של גופי
עושים בזמן אמת.
בדומה למצביע בו השתמשתי מקודם,
ניתן להשתמש בזה כקלט של המערכת.
כעת יש בידינו דרך טבעית לתקשר
עם היכולת האתלטית הגולמית של המסוקים הללו לבין פעולות הגוף שלי.
(מחיאות כפיים)
המגע אינו חייב להיות וירטואלי.
הוא יכול להיות פיזי.
ניקח לדוגמא מסוק זה.
הוא מנסה להישאר בנקודה קבועה בחלל.
אם אני מנסה להסיטו ממקומו, הוא מתנגד
ונע בחזרה להיכן שהוא רוצה להיות.
אבל ניתן לשנות התנהגות זו.
אנו יכולים להשתמש במודלים מתמטיים
כדי לאמוד את הכוח שאני מפעיל על המסוק.
ברגע שיודעים את הכוח, ניתן גם לשנות את
חוקי הפיזיקה, ככל שזה נוגע למסוק כמובן.
כאן המסוק מתנהג כאילו הוא נמצא בנוזל צמיג.
כעת יש לנו יכולת ליצירת מגע הדוק עם המכונה.
אשתמש ביכולת חדשה זו כדי למקם
את המסוק הזה שנושא מצלמה במיקום מתאים
כדי לצלם את מה שנותר מהתצוגה.
אנו מסוגלים לבוא במגע פיזי עם המסוקים
ואנו מסוגלים לשנות את חוקי הפיזיקה.
הבה נהנה מזה קצת.
מה שתראו עכשיו, מסוקים הללו
יתנהגו תחילה כאילו הם נמצאים על פלוטו.
עם חלוף הזמן, כוח-המשיכה יוגבר
עד שהם יהיו בחזרה על כדור-הארץ,
אבל אני מבטיחכם שלא נגיע לשם.
טוב, הנה זה מתחיל.
(צחוק)
(מחיאות כפיים)
יו!
כולכם ודאי חושבים עכשיו,
אנשים אלה נהנים יותר מדי,
וקרוב לודאי אתם שואלים את עצמכם,
מדוע הם בכלל בונים אתלטים מכניים?
יש האומרים שתפקיד המשחק בממלכת החיות
הוא להשחיז כישורים ולפתח יכולות.
אחרים סבורים שיש לו יותר תפקיד חברתי,
שהוא משמש לגיבוש הקבוצה.
באופן דומה, אנו משתמשים באנלוגיה של ספורט ואתלטיות
כדי ליצור אלגוריתמים חדשים למכונות
ולהביאן לקצה גבול יכולתן.
איזו השפעה תהיה למהירות של המכונות על דרך חיינו?
כמו כל יצירותינו והמצאותינו בעבר,
ניתן להשתמש בהן לשיפור התנאים האנושיים
או ניתן להשתמש בהן לרעה.
אין זו בחירה טכנולוגית שאנו עומדים בפניה;
זוהי בחירה חברתית-מוסרית.
הבה נעשה את הבחירה הנכונה,
הבחירה שמוציאה את המיטב מעתידן של המכונות הללו,
בדיוק כמו שאתלטיות בספורט יכולה להוציא את המיטב מתוכנו.
אציג בפניכם את אשפי המחשב שמאחורי המסך הירוק.
הם החברים הנוכחיים בקבוצת המחקר "זירת המכונות המעופפות".
(מחיאות כפיים)
פדריקו איוגוגליאריו, דאריו ברסיאניני, מרכוס הן,
סרג'יי לופאשין, מארק מולר ורובין ריטס.
הסתכלו עליהם. הם נועדו לגדולות.
תודה לכם.
(מחיאות כפיים)