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芯片升級有助于蜜蜂大小的無人機導航

麻省理工學院的研究人員去年設計了一款專為幫助蜜蜂大小的無人機導航而設計的微型計算機芯片,現在他們的芯片設計在尺寸和功耗方面都進一步縮小。

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

這個名為“Navion”的新計算機芯片本周在VLSI技術和電路研討會上展出,僅為20平方毫米 - 大約相當于LEGO minifigure的尺寸 - 僅消耗24毫瓦的功率,或大約是為燈泡供電所需能量的千分之一。

利用這種微小的功率,該芯片能夠以高達每秒171幀的速度處理實時攝像機圖像,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,以幫助車輛導航,特別是在無法獲得全球定位衛星數據的偏遠或難以到達的地方。

芯片設計也可以在需要在有限電源上長時間導航的任何小型機器人或設備上運行。

“我可以想象將這種芯片應用于低能量機器人技術,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,必須在一個電池上運行幾個月,”卡拉曼說。是麻省理工學院信息與決策系統實驗室和數據,系統與社會研究所的成員。“或者想象一下你吞下的小藥丸等醫療器械,它可以通過非常小的電池以智能方式導航,因此它不會在你體內過熱。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家,現在是麻省理工學院航空航天系的助理教授。

靈活的芯片

在過去幾年中,多個研究小組已經設計出小巧的無人機,可以放在手掌中。科學家們設想,這些微小的車輛可以四處飛行并拍攝周圍環境的照片,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只能承載如此多的電池電量,其中大部分用于使其電機飛行,為其他基本操作留下很少的能量,例如導航,特別是狀態估計或機器人的能力確定它在太空中的位置。

“在傳統的機器人技術中,我們采用現有的現成計算機并對它們實施[狀態估計]算法,因為我們通常不必擔心功耗,”卡拉曼說。“但在每個需要我們小型化低功耗應用的項目中,我們現在必須以一種非常不同的方式思考編程的挑戰。”

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。他們的初始設計是在現場可編程門陣列或FPGA上實現的,FPGA是一種商業硬件平臺,可以配置給特定應用。該芯片能夠使用2瓦的功率執行狀態估計,而較大的標準無人機通常需要10至30瓦才能執行相同的任務。盡管如此,芯片的功耗仍大于微型無人機通常可以承載的總功率,研究人員估計其功耗約為100毫瓦。

為了進一步縮小芯片尺寸和功耗,團隊決定從頭開始構建芯片,而不是重新配置現有設計。“這使我們在芯片設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計,可以最大限度地減少數據量 - 以攝像機圖像和慣性測量的形式 - 在任何給定時間存儲在芯片上。該設計還優化了這些數據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,我們實際壓縮,因此需要更少的內存,”Sze說,他是麻省理工學院電子研究實驗室的成員。該團隊還減少了無關的操作,例如零的計算,這導致零。研究人員找到了一種方法來跳過涉及數據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。

通過他們的設計,該團隊能夠將芯片的內存從之前的2兆字節減少到大約0.8兆字節。該團隊測試了先前收集的數據集上的芯片,這些數據集是由無人機在多個環境中飛行生成的,例如辦公室和倉庫類型的空間。

“雖然我們為低功耗和高速處理定制了芯片,但我們也使其具有足夠的靈活性,以便能夠適應這些不同的環境以實現額外的節能,”Sze說。“關鍵是要在靈活性和效率之間找到平衡點。”該芯片還可以重新配置,以支持不同的攝像機和慣性測量單元(IMU)傳感器。

通過這些測試,研究人員發現他們能夠將芯片的功耗從2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 - 這個速度甚至比數據集投射的是什么。

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

這項研究部分得到了空軍科學研究辦公室和國家科學基金會的支持。

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