芯片升級有助于微型無人機(jī)導(dǎo)航

麻省理工學(xué)院的研究人員去年設(shè)計了一款專為幫助蜜蜂大小的無人機(jī)導(dǎo)航而設(shè)計的微型計算機(jī)芯片，現(xiàn)在他們的芯片設(shè)計在尺寸和功耗方面都進(jìn)一步縮小。

該團(tuán)隊由麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機(jī)科學(xué)系(EECS)副教授Vivienne Sze和1948年航空航天副職教授Sertac Karaman共同領(lǐng)導(dǎo)，從地面構(gòu)建了一個完全定制的芯片向上，重點(diǎn)是降低功耗和尺寸，同時提高處理速度。

這個名為“ Navion ” 的新計算機(jī)芯片，本周將在VLSI技術(shù)和電路研討會上展出，僅為20平方毫米 - 大約相當(dāng)于LEGO minifigure的尺寸 - 僅消耗24毫瓦的功率，或約為燈泡供電所需的能量的千分之一。

利用這種微小的功率，該芯片能夠以高達(dá)每秒171幀的速度處理實(shí)時攝像機(jī)圖像，以及慣性測量，兩者都用于確定它在空間中的位置。研究人員表示，該芯片可以集成到像指甲一樣小的“納米生物”中，以幫助車輛導(dǎo)航，特別是在無法獲得全球定位衛(wèi)星數(shù)據(jù)的偏遠(yuǎn)或難以到達(dá)的地方。

該芯片設(shè)計，也可以在需要的時間很長一段導(dǎo)航超過上有限的電源的任何小機(jī)器人或裝置運(yùn)行。

“我可以想象將這種芯片應(yīng)用于低能量機(jī)器人技術(shù)，例如指甲大小的撲翼飛行器，或像氣象球一樣輕于空氣的飛行器，這種機(jī)器必須在一個電池上運(yùn)行數(shù)月，”卡拉曼說。是麻省理工學(xué)院信息與決策系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和數(shù)據(jù)，系統(tǒng)與社會研究所的成員。“或者想象一下你吞下的小藥丸等醫(yī)療器械，它可以通過非常小的電池以智能方式導(dǎo)航，因此它不會在你體內(nèi)過熱。我們正在建造的芯片可以幫助解決所有這些問題。”

Sze和Karaman的合著者是EECS研究生Amr Suleiman，他是第一作者; EECS研究生鄭正東; 和Luca Carlone，他是項目期間的研究科學(xué)家，現(xiàn)在是麻省理工學(xué)院航空航天系的助理教授。

靈活的芯片

在過去幾年中，多個研究小組已經(jīng)設(shè)計出小巧的無人機(jī)，可以放在手掌中?？茖W(xué)家們設(shè)想，這些微小的車輛可以四處飛行并拍攝周圍環(huán)境的照片，如蚊子大小的攝影師或測量員，然后降落在手掌中，然后可以輕松存放。

但是手掌大小的無人機(jī)只能承載如此多的電池電量，其中大部分用于使其電機(jī)飛行，為其他基本操作留下很少的能量，例如導(dǎo)航，特別是狀態(tài)估計或機(jī)器人的能力確定它在太空中的位置。

“在傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)中，我們采用現(xiàn)有的現(xiàn)成計算機(jī)并對它們實(shí)施[狀態(tài)估計]算法，因?yàn)槲覀兺ǔ２槐負(fù)?dān)心功耗，”卡拉曼說。“但在每個需要我們小型化低功耗應(yīng)用的項目中，我們現(xiàn)在必須以一種非常不同的方式思考編程的挑戰(zhàn)。”

在他們之前的工作中，Sze和Karaman開始通過在單個芯片中組合算法和硬件來解決這些問題。他們的初始設(shè)計是在現(xiàn)場可編程門陣列或FPGA上實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)PGA是一種商業(yè)硬件平臺，可以配置給特定應(yīng)用。該芯片能夠使用2瓦的功率執(zhí)行狀態(tài)估計，而較大的標(biāo)準(zhǔn)無人機(jī)通常需要10至30瓦才能執(zhí)行相同的任務(wù)。盡管如此，芯片的功耗仍大于微型無人機(jī)通?？梢猿休d的總功率，研究人員估計其功耗約為100毫瓦。

為了進(jìn)一步縮小芯片尺寸和功耗，團(tuán)隊決定從頭開始構(gòu)建芯片，而不是重新配置現(xiàn)有設(shè)計。“這使我們在芯片設(shè)計方面有了更大的靈活性，”Sze說。

奔向世界

為了降低芯片的功耗，該小組提出了一種設(shè)計，以最大限度地減少數(shù)據(jù)量 - 以相機(jī)圖像和慣性測量的形式 - 在任何給定時間存儲在芯片上。該設(shè)計還優(yōu)化了這些數(shù)據(jù)在芯片上的流動方式。

“我們將暫時存儲在芯片上的任何圖像，我們實(shí)際壓縮，因此需要更少的內(nèi)存，”Sze說，他是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的成員。該團(tuán)隊還減少了無關(guān)的操作，例如零的計算，這導(dǎo)致零。研究人員找到了一種方法來跳過涉及數(shù)據(jù)中任何零的計算步驟。“這使我們能夠避免必須處理和存儲所有這些零，因此我們可以減少大量不必要的存儲和計算周期，從而減小芯片尺寸和功率，并提高芯片的處理速度，”Sze說。

通過他們的設(shè)計，該團(tuán)隊能夠?qū)⑿酒膬?nèi)存從之前的2兆字節(jié)減少到大約0.8兆字節(jié)。該團(tuán)隊測試了先前收集的數(shù)據(jù)集上的芯片，這些數(shù)據(jù)集是由無人機(jī)飛越多個環(huán)境(如辦公室和倉庫類型空間)生成的。

“雖然我們?yōu)榈凸暮透咚偬幚矶ㄖ屏诵酒?，但我們還使其具有足夠的靈活性，以便能夠適應(yīng)這些不同的環(huán)境以實(shí)現(xiàn)額外的節(jié)能，”Sze說。“關(guān)鍵是要在靈活性和效率之間找到平衡點(diǎn)。” 該芯片還可以重新配置，以支持不同的攝像機(jī)和慣性測量單元(IMU)傳感器。

從這些測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)他們能夠?qū)⑿酒墓膹?瓦降低到24毫瓦，這足以讓芯片以每秒171幀的速度處理圖像 - 速度甚至比投射的數(shù)據(jù)集。

該團(tuán)隊計劃通過在微型賽車上實(shí)施其芯片來展示其設(shè)計。當(dāng)屏幕顯示車載攝像機(jī)的實(shí)時視頻時，研究人員還希望顯示芯片確定其在太空中的實(shí)時位置，以及它用于執(zhí)行此任務(wù)的功率量。最終，該團(tuán)隊計劃在一架真正的無人機(jī)上測試該芯片，并最終測試一架微型無人機(jī)。