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芯片升级有助于蜜蜂大小的无人机导航

2019-03-06 12:14:42来源:

麻省理工学院的研究人员去年设计了一款专为帮助蜜蜂大小的无人机导航而设计的微型计算机芯片,现在他们的芯片设计在尺寸和功耗方面都进一步缩小。

该团队由麻省理工学院电气工程与计算机科学系(EECS)副教授Vivienne Sze和1948年航空航天副职教授Sertac Karaman共同领导,从地面构建了一个完全定制的芯片向上,重点是降低功耗和尺寸,同时提高处理速度。

这个名为“Navion”的新计算机芯片本周在VLSI技术和电路研讨会上展出,仅为20平方毫米 - 大约相当于LEGO minifigure的尺寸 - 仅消耗24毫瓦的功率,或大约是为灯泡供电所需能量的千分之一。

利用这种微小的功率,该芯片能够以高达每秒171帧的速度处理实时摄像机图像,以及惯性测量,两者都用于确定它在空间中的位置。研究人员表示,该芯片可以集成到像指甲一样小的“纳米生物”中,以帮助车辆导航,特别是在无法获得全球定位卫星数据的偏远或难以到达的地方。

芯片设计也可以在需要在有限电源上长时间导航的任何小型机器人或设备上运行。

“我可以想象将这种芯片应用于低能量机器人技术,例如指甲大小的扑翼飞行器,或像气象球一样轻于空气的飞行器,必须在一个电池上运行几个月,”卡拉曼说。是麻省理工学院信息与决策系统实验室和数据,系统与社会研究所的成员。“或者想象一下你吞下的小药丸等医疗器械,它可以通过非常小的电池以智能方式导航,因此它不会在你体内过热。我们正在建造的芯片可以帮助解决所有这些问题。”

Sze和Karaman的合着者是EECS研究生Amr Suleiman,他是第一作者; EECS研究生郑正东; 和Luca Carlone,他是项目期间的研究科学家,现在是麻省理工学院航空航天系的助理教授。

灵活的芯片

在过去几年中,多个研究小组已经设计出小巧的无人机,可以放在手掌中。科学家们设想,这些微小的车辆可以四处飞行并拍摄周围环境的照片,如蚊子大小的摄影师或测量员,然后降落在手掌中,然后可以轻松存放。

但是手掌大小的无人机只能承载如此多的电池电量,其中大部分用于使其电机飞行,为其他基本操作留下很少的能量,例如导航,特别是状态估计或机器人的能力确定它在太空中的位置。

“在传统的机器人技术中,我们采用现有的现成计算机并对它们实施[状态估计]算法,因为我们通常不必担心功耗,”卡拉曼说。“但在每个需要我们小型化低功耗应用的项目中,我们现在必须以一种非常不同的方式思考编程的挑战。”

在他们之前的工作中,Sze和Karaman开始通过在单个芯片中组合算法和硬件来解决这些问题。他们的初始设计是在现场可编程门阵列或FPGA上实现的,FPGA是一种商业硬件平台,可以配置给特定应用。该芯片能够使用2瓦的功率执行状态估计,而较大的标准无人机通常需要10至30瓦才能执行相同的任务。尽管如此,芯片的功耗仍大于微型无人机通常可以承载的总功率,研究人员估计其功耗约为100毫瓦。

为了进一步缩小芯片尺寸和功耗,团队决定从头开始构建芯片,而不是重新配置现有设计。“这使我们在芯片设计方面有了更大的灵活性,”Sze说。

奔向世界

为了降低芯片的功耗,该小组提出了一种设计,可以最大限度地减少数据量 - 以摄像机图像和惯性测量的形式 - 在任何给定时间存储在芯片上。该设计还优化了这些数据在芯片上的流动方式。

“我们将暂时存储在芯片上的任何图像,我们实际压缩,因此需要更少的内存,”Sze说,他是麻省理工学院电子研究实验室的成员。该团队还减少了无关的操作,例如零的计算,这导致零。研究人员找到了一种方法来跳过涉及数据中任何零的计算步骤。“这使我们能够避免必须处理和存储所有这些零,因此我们可以减少大量不必要的存储和计算周期,从而减小芯片尺寸和功率,并提高芯片的处理速度,”Sze说。

通过他们的设计,该团队能够将芯片的内存从之前的2兆字节减少到大约0.8兆字节。该团队测试了先前收集的数据集上的芯片,这些数据集是由无人机在多个环境中飞行生成的,例如办公室和仓库类型的空间。

“虽然我们为低功耗和高速处理定制了芯片,但我们也使其具有足够的灵活性,以便能够适应这些不同的环境以实现额外的节能,”Sze说。“关键是要在灵活性和效率之间找到平衡点。” 该芯片还可以重新配置,以支持不同的摄像机和惯性测量单元(IMU)传感器。

通过这些测试,研究人员发现他们能够将芯片的功耗从2瓦降低到24毫瓦,这足以让芯片以每秒171帧的速度处理图像 - 这个速度甚至比数据集投射的是什么。

该团队计划通过在微型赛车上实施其芯片来展示其设计。当屏幕显示车载摄像机的实时视频时,研究人员还希望显示芯片确定其在太空中的实时位置,以及它用于执行此任务的功率量。最终,该团队计划在一架真正的无人机上测试该芯片,并最终测试一架微型无人机。