設(shè)計高效計算機芯片的方法可以從地面獲得微型智能無人機

近年來，工程師們一直致力于縮小無人機技術(shù)，制造與大黃蜂相當(dāng)?shù)娘w行原型，并裝載更小的傳感器和相機。到目前為止，除了整個操作的大腦 - 計算機芯片之外，他們已經(jīng)設(shè)法使無人機的幾乎每個部分都小型化。

用于四軸飛行器和其他類似尺寸無人機的標(biāo)準(zhǔn)計算機芯片處理來自攝像機和傳感器的大量流數(shù)據(jù)，并在運行中解釋該數(shù)據(jù)以自主地指導(dǎo)無人機的俯仰，速度和軌跡。要做到這一點，這些計算機使用的功率在10到30瓦之間，由電池提供，這些電池可以壓縮更小的蜜蜂大小的無人機。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)邁出了設(shè)計計算機芯片的第一步，該計算機芯片使用的是較大型無人機計算機的一小部分功率，并且專為無人機小型無人機量身定制。他們將在本周在麻省理工學(xué)院舉行的機器人：科學(xué)與系統(tǒng)會議上展示他們稱之為“Navion”的新方法和設(shè)計。

該團隊由麻省理工學(xué)院1948年職業(yè)發(fā)展副教授Sertac Karaman和麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)系副教授Vivienne Sze領(lǐng)導(dǎo)，開發(fā)了一種低功耗算法，削減硬件，創(chuàng)建專門的計算機芯片。

他們工作的關(guān)鍵貢獻(xiàn)是設(shè)計芯片硬件和芯片上運行的算法的新方法。“傳統(tǒng)上，設(shè)計一種算法，然后將其交給硬件人員來弄清楚如何將算法映射到硬件，”Sze說。“但我們通過一起設(shè)計硬件和算法，我們可以實現(xiàn)更大幅度的節(jié)能。”

“我們發(fā)現(xiàn)這種編程機器人的新方法，包括聯(lián)合考慮硬件和算法，是縮小它們的關(guān)鍵，”卡拉曼說。

新芯片以每秒20幀的速度處理流式圖像，并自動執(zhí)行命令以調(diào)整無人機在太空中的方向。簡化的芯片執(zhí)行所有這些計算，同時使用低于2瓦的功率，使其比當(dāng)前的無人機嵌入式芯片效率高一個數(shù)量級。

卡拉曼表示，該團隊的設(shè)計是設(shè)計“能夠獨立飛行的最小型智能無人機”的第一步。他最終設(shè)想了災(zāi)難響應(yīng)和搜索和救援任務(wù)，其中昆蟲大小的無人機在狹窄的空間內(nèi)進(jìn)出，以檢查倒塌的結(jié)構(gòu)或?qū)ふ冶焕藛T。卡拉曼還預(yù)見到消費電子產(chǎn)品的新用途。

“想象一下，買一個可以與你的手機集成的瓶蓋式無人機，你可以把它拿出來放在手掌上，”他說。“如果你舉起一點手，它就會感覺到，然后開始飛來拍攝你。然后你再次張開手，它會落在你的手掌上，你可以把那個視頻上傳到你的手機并分享它和其他人。”

Karaman和Sze的合著者是研究生Zhengdong Zhang和Amr Suleiman，以及研究科學(xué)家Luca Carlone。

從頭開始

目前的迷??你玩具原型尺寸足夠小，可以放在人的指尖上，并且非常輕，僅需1瓦的電力即可從地面抬起。他們隨附的攝像頭和傳感器需要額外的半瓦才能運行。

“缺少的部分是計算機 - 我們無法在尺寸和功率方面適合它們，”卡拉曼說。“我們需要將計算機小型化并降低功耗。”

該組迅速意識到傳統(tǒng)的芯片設(shè)計技術(shù)可能不會產(chǎn)生足夠小的芯片，并提供所需的處理能力，以智能地飛行小型自主無人機。

“隨著晶體管變小，效率和速度都有所提高，但速度正在放緩，現(xiàn)在我們必須提出專門的硬件以提高效率，”Sze說。

研究人員決定從頭開始構(gòu)建專用芯片，開發(fā)用于處理數(shù)據(jù)的算法，以及用于執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的硬件。

調(diào)整一個公式

具體來說，研究人員對通常用于確定無人機“自我運動”的現(xiàn)有算法或?qū)ζ湓谔罩械奈恢玫恼J(rèn)識進(jìn)行了微小的改變。然后，他們在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)上實現(xiàn)了各種版本的算法，這是一種非常簡單的可編程芯片。為了使這一過程正式化，他們開發(fā)了一種稱為迭代分裂協(xié)同設(shè)計的方法，該方法可以在實現(xiàn)精度的同時實現(xiàn)精確平衡，同時降低功耗和門數(shù)。

典型的FPGA由數(shù)十萬個斷開的門組成，研究人員可以以所需的模式連接以創(chuàng)建專用的計算元件。通過協(xié)同設(shè)計減少門數(shù)，使得團隊可以選擇具有更少門的FPGA芯片，從而大幅節(jié)省功耗。

“如果我們不需要某種邏輯或記憶過程，我們就不會使用它們，這可以節(jié)省很多力量，”卡拉曼解釋道。

每次研究人員調(diào)整自我運動算法時，他們都會將版本映射到FPGA的門上，并將芯片連接到電路板上。然后，他們從標(biāo)準(zhǔn)無人機數(shù)據(jù)集中提供芯片數(shù)據(jù) - 來自先前無人機飛行實驗的流式圖像和加速度計測量的累積，這些實驗已由其他人執(zhí)行并可供機器人社區(qū)使用。

“這些實驗也是在動作捕捉室進(jìn)行的，所以你確切知道無人機的確切位置，事后我們就會使用所有這些信息，”卡拉曼說。

節(jié)省內(nèi)存

對于在FPGA芯片上實現(xiàn)的每個算法版本，研究人員觀察了芯片在處理輸入數(shù)據(jù)時所消耗的功率量，并估算了其在空間中的最終位置。

該團隊最高效的設(shè)計以每秒20幀的速度處理圖像，并準(zhǔn)確估計無人機在太空中的方向，同時功耗不到2瓦。

節(jié)省的功率部分來自對芯片中存儲的存儲量的修改。Sze和她的同事發(fā)現(xiàn)，他們能夠縮減算法需要處理的數(shù)據(jù)量，同時仍能實現(xiàn)相同的結(jié)果。因此，芯片本身能夠存儲更少的數(shù)據(jù)并消耗更少的功率。

“內(nèi)存在功率方面確實非常昂貴，”Sze說。“由于我們進(jìn)行即時計算，只要我們收到芯片上的任何數(shù)據(jù)，我們就會嘗試盡可能多的處理，以便我們立即將其丟棄，這樣我們就可以保留很少量的數(shù)據(jù)。芯片上的存儲器無需訪問片外存儲器，這種存儲器要貴得多。“

通過這種方式，與用于無人機的典型嵌入式計算機芯片相比，該團隊能夠?qū)⑿酒拇鎯ζ鞔鎯α繙p少到2兆字節(jié)而不使用片外存儲器，而無人機使用大約幾千兆字節(jié)的片外存儲器。

“任何可以降低功率的方式都可以減少電池尺寸或延長電池壽命，”Sze說。

今年夏天，該團隊將把FPGA芯片安裝到無人機上，以測試其飛行性能。最終，該團隊計劃在特定應(yīng)用集成電路(ASIC)上實施優(yōu)化算法，這是一種更專業(yè)的硬件平臺，允許工程師直接在芯片上設(shè)計特定類型的門。

“我們認(rèn)為我們可以將其降低到幾百毫瓦，”卡拉曼說。“通過這個平臺，我們可以進(jìn)行各種優(yōu)化，從而節(jié)省大量電力。”