設(shè)計高效計算機芯片的方法可能會讓微型智能無人機飛上天空。

近年來，工程師們致力于研發(fā)微型無人機技術(shù)，搭建黃蜂大小的飛行原型，并搭載更小的傳感器和攝像機。目前，他們已經(jīng)成功將無人機的幾乎每一部分都小型化了，除了無人機的大腦——計算機芯片。

四旋翼無人機和其他類似大小的無人機的標準計算機芯片可以從攝像機和傳感器中獲取大量數(shù)據(jù)流，并對這些數(shù)據(jù)進行解讀，從而自動控制無人機的俯仰、速度和軌跡。為了做到這一點，這些計算機要消耗10-30瓦的功率，由電池供電，電池對于黃蜂大小的無人機而言是很大的負荷。

現(xiàn)在，MIT的工程師們已經(jīng)邁出了第一步，他們設(shè)計了一種計算機芯片，這種芯片使用大型無人機計算機的一小部分功能，專門為瓶蓋大小的無人機量身定制。他們將于本周在MIT舉行的“機器人：科學和系統(tǒng)會議”上提出一種新的方法和設(shè)計，他們稱之為“Navion”。

該團隊由SertacKaraman和VivienneSze帶領(lǐng)，前者是MIT航空航天工程1948屆職業(yè)發(fā)展副教授，后者是MIT電氣工程和計算機科學學院副教授。他們開發(fā)了一種低功耗的算法，同時精簡了硬件，創(chuàng)造了一種專門的計算機芯片。

他們工作的關(guān)鍵貢獻是提出了一種設(shè)計芯片硬件和在芯片上運行的算法的新方法。Sze表示：“傳統(tǒng)上，一種算法被設(shè)計出來就被扔給了硬件工程師，讓他想辦法把算法映射到硬件上。但我們發(fā)現(xiàn)，通過把設(shè)計硬件和算法相結(jié)合，我們可以實現(xiàn)更有效的節(jié)能?！?/p>

Karaman說：“我們發(fā)現(xiàn)，這種涉及到硬件和算法協(xié)同思考的編程機器人的新方法是減小尺寸的關(guān)鍵?！?/p>

這種新型芯片以每秒20幀的速度處理流圖像，并自動執(zhí)行命令來調(diào)整無人機在空間中的方向。新型芯片執(zhí)行所有這些計算，同時功耗低于2瓦——這比目前的無人機嵌入式芯片的效率要高一個數(shù)量級。

Karaman說，團隊的設(shè)計是邁向“最小的智能無人機可以自主飛行”的第一步。他最終設(shè)想的是災(zāi)難響應(yīng)和搜救任務(wù)，在這些任務(wù)中，昆蟲大小的無人機會在狹窄的空間中穿梭，檢查坍塌的建筑，搜尋被困的人?？ɡ差A(yù)見到了它在消費電子產(chǎn)品方面的新用途。

Karaman說：“請設(shè)想，購買一款可以與你的手機結(jié)合的瓶蓋大小的無人機，你可以把它拿出來放在手掌上，你稍微抬起手，它就會感知到，并開始在你四周飛行，為你攝影。然后你再張開手掌，它就會落在你的手中，你可以將視頻上傳到手機上，并與他人分享?！?/p>

AmrSuleiman和LucaCarlone的合作者是研究生AmrSuleiman和ZhengdongZhang，以及研究科學家LucaCarlone。

從頭開始

目前的小型無人機原型足夠小，可以放在一個人的指尖上，而且非常輕，只需要1瓦的電力就可以從地面起飛。相機和傳感器則還需要0.5瓦。

Karaman說：“缺少的部分是計算機，我們不能讓它們適應(yīng)這種大小和能耗。我們需要將計算機小型化，并降低其功耗?！?/p>

團隊很快意識到，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計技術(shù)可能不會制造出足夠小的芯片，并提供小型智能無人機飛行所需要的處理能力。

Sze說：“隨著晶體管的規(guī)模越來越小，效率和速度都有了提升，但這種速度正在放緩，現(xiàn)在我們必須開發(fā)出專門的硬件來提高效率?！?/p>

研究人員決定從頭開始構(gòu)建一個專門的芯片，開發(fā)數(shù)據(jù)處理算法，以及用來運行這種算法的硬件，幾項工作協(xié)同進行。

調(diào)整公式

具體而言，研究人員對現(xiàn)有的一種算法進行了細微的改動，該算法通常用于確定無人機的“自我運動”，或?qū)ζ湓诳臻g中位置進行感知。然后，他們在一片F(xiàn)PGA上實現(xiàn)了不同版本的算法，F(xiàn)PGA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，可以在降低功耗和門數(shù)量的同時確保足夠的精確度。

典型的FPGA由數(shù)十萬個斷開的門組成，研究人員可以按照所需的模式進行連接，以創(chuàng)建專門的計算單元。通過協(xié)同設(shè)計減少門數(shù)，團隊選擇了一片門數(shù)極少的FPGA芯片，從而實現(xiàn)了高效的節(jié)能。

Karaman解釋說：“如果我們不需要某種特定的邏輯或存儲過程，我們就不會使用它們，這樣就能節(jié)省大量能量?！?/p>

每當研究人員調(diào)整自我運動算法時，他們就把這個算法版本映射到FPGA的門上，并將芯片連接到電路板上。然后，他們從標準無人機數(shù)據(jù)集里的數(shù)據(jù)輸入到芯片中，標準無人機數(shù)據(jù)集來自先前由其他人進行并提供在機器人社區(qū)中的無人機飛行實驗的流圖像和加速度計測量數(shù)據(jù)的累積。

Karaman說：“這些實驗也是在運動捕捉室里完成的，所以你精確地知道無人機的位置，我們在事后使用了所有這些信息?！?/p>

節(jié)省存儲

對于在FPGA芯片上實現(xiàn)的每個版本的算法，研究人員觀察了芯片在處理輸入數(shù)據(jù)和估算空間位置時所消耗的電量，。

該團隊最有效的設(shè)計以每秒20幀的速度處理圖像，并準確地估算出無人機在空間中的方位，同時消耗低于2瓦的功率。

功率節(jié)省部分來自對于存儲在芯片中的內(nèi)存數(shù)量的修改。Sze和她的同事發(fā)現(xiàn)，他們能夠減小算法需要處理的數(shù)據(jù)量，同時仍然獲得相同的結(jié)果。因而芯片本身可以存儲更少的數(shù)據(jù)，消耗更少的電能。

Sze說：“在節(jié)能方面，存儲的代價非常巨大。因為我們要做動態(tài)計算，一旦我們收到任何芯片的數(shù)據(jù)，就要盡可能地進行處理，所以我們可以馬上扔掉它，這使得我們可以只使用芯片上極少量的存儲空間，無需訪問昂貴的片外存儲器?！?/p>

通過這種方式，團隊能夠?qū)⑿酒拇鎯θ萘繙p少到2MB，無需使用片外存儲器，而典型的無人機嵌入式計算機芯片使用幾GB的片外存儲器。

Sze說：“任意一種節(jié)能方式，都可以讓你減小電池的尺寸，或者延長電池壽命，這是更好的選擇。”

今年夏天，該團隊將把FPGA芯片安裝在無人機上，以測試它在飛行中的性能。最終，該團隊計劃在專用集成電路（ASIC）上實現(xiàn)優(yōu)化算法，ASIC是一種更專業(yè)的硬件平臺，可讓工程師直接在芯片上設(shè)計特定類型的門。

Karaman說：“我們認為我們可以把功耗降低到幾百毫瓦，借助這個平臺，我們可以進行各種優(yōu)化，這樣可以節(jié)省大量電能?！?/p>

這項研究得到了空軍科學研究處和國家科學基金會的部分支持。

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