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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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Sertac Karaman和Vivienne Sze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(xué)學(xué)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>

Amr Suleiman和Luca Carlone的合作者是研究生Amr Suleiman和Zhengdong Zhang,，以及研究科學(xué)家Luca Carlone,。

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,。”

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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)無人機數(shù)據(jù)集里的數(shù)據(jù)輸入到芯片中，標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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?！?/p>

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(xué)研究處和國家科學(xué)基金會的部分支持。