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微型低功耗芯片用于無人機導航

2019-07-16
關鍵詞: 芯片 無人機

  麻省理工學院的研究人員去年設計了一種微型計算機芯片,專門用于幫助硬幣大小的無人機導航,而現在芯片在尺寸和功耗方面都進一步縮小。

  該小組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級航空航天學職業發展副教授Sertac Karaman共同領導,從頭開始構建一個完全定制的芯片,重點是減少功耗和尺寸,同時提高處理速度。

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  本周他們將在VLSI技術和電路專題討論會上發表名為“Navion”的新型計算機芯片,面積僅為20平方毫米,大約相當于LEGO minifigure的尺寸,功耗僅為24毫瓦,約等于燈泡供電所需能量的千分之一。

  利用微量的功率,該芯片能夠以高達每秒171幀的速度處理實時相機圖像以及慣性測量,這兩種方法都可以用來確定它在空中的位置。研究人員說,該芯片可以集成到指甲大小的“nanodrones”中,在遠程或難以進入的地方,全球定位衛星數據不可用的時候幫助導航。

  芯片設計也可以運行在任何需要在有限電源設備上長時間導航的小型機器人或設備。

  Karaman說:“我可以想象將這種芯片應用于低能量機器人,如指甲般大小的飛行器,或者像氣球那樣的輕于空氣的飛行器,這些設備必須靠一塊電池運行數月。或者想象一下醫療設備,它能以非常小的電池以智能的方式導航,因此它不會在你的身體中過熱。我們正在開發的芯片可以解決這些問題。”

  在過去的幾年中,多個研究小組設計出的小型無人機足夠小,可以放在手掌中。科學家們設想,這樣的小型車輛可以四處飛行,并拍攝周圍環境的照片,例如蚊子大小的攝影師或測量員,然后降落在手掌中,然后輕松存放。

  但是,一架手掌大小的無人機只能攜帶不多的電池能量,其中大部分是用來為它的馬達提供的的,幾乎沒有為其他基本操作提供能量,比如導航,特別是狀態評估,或者能夠確定它在空中的位置。

  “在傳統的機器人技術中,我們采用現有的現成計算機并對其實施狀態估計算法,因為我們通常不必擔心功耗,”Karaman說。“但是在每一個需要我們小型化低功耗應用的項目中,我們都必須以一種完全不同的方式思考面臨的挑戰。”

  在他們之前的工作中,Sze和Karaman通過在單個芯片中結合算法和硬件來解決這些問題。他們的最初設計是在現場可編程門陣列或FPGA上實現的,FPGA是一種可配置給定應用的商用硬件平臺。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瓦來執行相同的任務。盡管如此,該芯片的功耗仍然高于微型無人機通常能夠承載的功耗總量,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,該團隊決定從頭開始開發芯片,而不是重新配置現有設計。

  為了減少芯片的功耗,該組織提出了一種設計,以最大限度地減少在任何給定時間存儲在芯片上的數據量(以照相機圖像和慣性測量的形式)。該設計還優化了數據流經芯片的方式。

  “任何我們暫時存儲在芯片上的圖像,實際上都是壓縮的,所以它需要更少的內存,”麻省理工學院電子研究實驗室的成員Sze說。該團隊還減少了無關的操作,例如計算零點,這會導致零點。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。“這讓我們避免了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,從而降低芯片尺寸和功耗,并提高芯片的處理速度。”

  通過他們的設計,該團隊能夠將芯片的內存從之前的2兆減少到0.8兆。該團隊在先前收集的無人機產生的數據集上對芯片進行測試,這些無人機在多種環境中飛行,如辦公室和倉庫式空間。

  Sze說,“雖然我們為低功耗和高速處理的特性定制了芯片,但我們也使其具有足夠的靈活性,以便它能夠適應這些不同的環境,進一步節約能源,關鍵是在靈活性和效率之間找到平衡。”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。

  從這些測試中,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,而這足以讓芯片以每秒171幀的速度處理圖像,這個速度甚至比預測數據集更快。

  該團隊計劃通過在微型賽車上實施其芯片來展示其設計。當一個屏幕顯示車載攝像頭的實時視頻時,研究人員還希望能夠顯示芯片實時確定其在空中的位置以及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芯片,并最終在微型無人機上進行測試。


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