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takahashicleaning · 7 months

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ＴＥＤにて

ラファエロ・ダンドリーア: クアッドコプターの驚くべき運動性能

（詳しくご覧になりたい場合は上記リンクからどうぞ）

TEDGlobalのロボット・ラボで、ラファエロ・ダンドリーアが、クアッドコプターのデモを披露します。真上に投げてもホバリングを今すぐ維持します。

この驚愕の機械は、運動選手のように考えて、学習を助けるアルゴリズムによって、物理的な問題をリアルタイムで解決していきます。

一連の素晴らしいデモで、ダンドリーアはクアッドコプターがボールをキャッチしたり、棒のバランスを取り、複数の機械が協調して意志決定する様子をご覧にいれます。

棒のバランス以外でも、水の入っているグラスでもバランスのとれた状態に復帰していきます。きっとすぐにでも欲しくなると思います。

ヘキサコプターやそれ以上のマルチコプターでも可能ですが、最小プロペラ数で実現しているシンプルな所がクワッドコプターの人気のある理由です。

運動抜群の機械というのはどういうものでしょう？これから機械の運動能力の実演とそれに必要な研究をクアッドコプターを使ってご覧に入れます。

所謂、クアッドコプターは結構昔からあったのですが、最近流行りだした理由は構造的にとてもシンプルだからです。

４つのプロペラのスピードを制御することによってロール、ピッチ、ヨーの動作とプロペラの方向への加速が出来ます。

また、これには電池、コンピューター、様々なセンサーと無線がついています。クアッドコプターはとても敏捷ですが、その代わり不安定でちゃんと飛ばすためにはフィードバック制御が必要になります。

今のをどうやってやったのかですが、天井のカメラとノートPCがこの室内の測位システムの役割をしていて、反射マーカーを付けた物の位置を測定しています。

推測と制御のアルゴリズムを実行する別のPCにそのデータが送られ、そこからクアッドコプターに指令が送られます。クアッドコプター自体も推測と制御のアルゴリズムを実行しています。

私達の研究の大きな部分をアルゴリズムが占めています。それが、この機械に命を吹き込む魔法なのです。では、機械の運動選手のためのアルゴリズムはどう設計したらいいのでしょう？

私達は広く「モデルベース設計」と呼ばれる手法を使っています。まず、機械の動き方を数学的モデルを使い、物理的に把握します。

それから、制御理論という一種の数学を使ってそのモデルを分析し、制御のためのアルゴリズムを組み上げます。例えば、どうすればホバリングさせられるのか？

まず、力学的性質を一連の微分方程式で記述します。それから、制御理論を使って方程式を操り、クアッドコプターを安定させる。

アルゴリズムを作ります。このアプローチがいかに強力かお目にかけましょう。クアッドコプターにホバリングするだけでなく、バランスを取ってこの棒を立てさせることにしましょう。

少し練習すれば、人間には苦もなくできることです。両足を地面に付けて器用な手を使ってやるということであれば。

でも、片足で立って手を使わずに足でやるとなるとちょっと難しくなります。棒の先端に反射マーカーがあって部屋の中での位置が分かるようにしてあることに注意してください。

棒のバランスを取るために、クアッドコプターが細かく調整しているのが分かるかと思います。このアルゴリズムをどう設計したかですが、クアッドコプターに棒の数学的モデルを追加したんです。

クアッドコプターと棒を組み合わせたモデルができれば、制御理論を使ってその制御をするアルゴリズムが作れます。

ご覧のように安定していて、ちょっと押してやってもバランスの取れた状態に戻ります。このモデルを拡張して行って欲しい場所も含めることができます。

この反射マーカーのついた指示棒を使って、私から一定の距離でクアッドコプターに行って欲しい場所を指示します。このような曲芸飛行の鍵になるのが、数学的モデルと制御理論に基づいて設計されたアルゴリズムです。

一般的には、これを飛ばすためには少なくとも４つのプロペラが必要とされています。ロール、ピッチ、ヨー、加速と４つの自由度があるからです。

ヘクサコプターやオクトコプターには、６つか８つのプロペラがあり冗長性があります。クアッドコプターに人気があるのは４つという最小限のモーターとプロペラしかないからです。

それが欠けたらどうなるのでしょう？２つのプロペラしか機能していない場合の数学的モデルを分析したところ、異例な方法で飛ばせられることが分かりました。

新しい構成に基づいたアルゴリズムによってヨーの制御はあきらめつつ、ロール、ピッチ、加速は制御し続けることができます。数学的モデルは、それが正確にどんなとき、なぜ？可能なのかを教えてくれます。

この知識によって機体の損傷に対して、柔軟に対応できる新しい構造や優れたアルゴリズムを設計することができます。冗長性を持たせるかわりに、人間の運動選手のように対応するのです。

飛び込み選手が宙返りしながら、水に飛び込んだり跳馬選手が迫る地面を前に空中で身を捻るのを見る時、思わず息を止めますよね。飛び込み選手はきれいに着水できるか？跳馬選手は着地を決められるか？

このクアッドコプターに３回転宙返りして元の位置に戻らせたい。としましょう。非常に素早い動作が要求されるため、やっている最中に位置を教えて動きを修正させることはできません。

十分な時間がないのです。かわりに、クアッドコプターは目隠しでやって動作をどう終えたかを観察し、その情報によって動きを修正し、次回にもっとうまくできるようにします。

スポーツの飛び込みや跳馬の選手と同じように練習を繰り返し、動きを身に付けることによってのみ、このような動きは実現できるのです。動くボールを打ち返すというのは、様々なスポーツで要求されるスキルです。

運動選手が苦もなくやっているように見えることをどうすれば機械にさせられるでしょう？このクアッドコプターは、ラケットが貼付けてありますが、スイートスポットはリンゴの大きさほどしかありません。

次に説明する計算を20ミリ秒ごと。つまり、１秒間に50回しています。最初にボールの飛ぶ先を求めます。それから、投げられた場所に打ち返すには、ボールをどう打つ必要があるか？

計算します。それから現在位置からボールを打つ位置まで移動する軌道を計画します。そして、その計画を20ミリ秒間だけ実行します。20ミリ秒後に、また、このプロセス全体を繰り返しボールを打つ瞬間までそれを続けます。

動物の世界では、遊びはスキルや能力を磨く役割があるという説があります。集団を結び付ける社会的役割があるという説もあります。

私達は、同様にスポーツや競技のアナロジーを使って、機械のための新しいアルゴリズムを作り、限界を押し広げようとしているんです。

機械のスピードが私達の生活にもたらす影響は何でしょう？過去のあらゆる発明や創作と同様、それは、人々の生活の改善にも使えるでしょう。

私達が直面しているのは、技術的ではなく社会的な選択です。正しい選択をして未来の機械から最善のものを引き出すようにしましょう。

こういう新産業でイノベーションが起きるとゲーム理論でいうところのプラスサムになるから既存の産業との

戦争に発展しないため共存関係を構築できるメリットがあります。デフレスパイラルも予防できる？人間の限界を超えてることが前提だけど

しかし、独占禁止法を軽視してるわけではありませんので、既存産業の戦争を避けるため新産業だけの限定で限界を超えてください！

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