设计高效计算机芯片的方法可以从地面获得微型智能无人机

近年来，工程师们一直致力于缩小无人机技术，制造与大黄蜂相当的飞行原型，并装载更小的传感器和相机。到目前为止，除了整个操作的大脑 - 计算机芯片之外，他们已经设法使无人机的几乎每个部分都小型化。

用于四轴飞行器和其他类似尺寸无人机的标准计算机芯片处理来自摄像机和传感器的大量流数据，并在运行中解释该数据以自主地指导无人机的俯仰，速度和轨迹。要做到这一点，这些计算机使用的功率在10到30瓦之间，由电池提供，这些电池可以压缩更小的蜜蜂大小的无人机。

现在，麻省理工学院的工程师已经迈出了设计计算机芯片的第一步，该计算机芯片使用的是较大型无人机计算机的一小部分功率，并且专为无人机小型无人机量身定制。他们将在本周在麻省理工学院举行的机器人：科学与系统会议上展示他们称之为“Navion”的新方法和设计。

该团队由麻省理工学院1948年职业发展副教授Sertac Karaman和麻省理工学院电气工程与计算机科学系副教授Vivienne Sze领导，开发了一种低功耗算法，削减硬件，创建专门的计算机芯片。

他们工作的关键贡献是设计芯片硬件和芯片上运行的算法的新方法。“传统上，设计一种算法，然后将其交给硬件人员来弄清楚如何将算法映射到硬件，”Sze说。“但我们通过一起设计硬件和算法，我们可以实现更大幅度的节能。”

“我们发现这种编程机器人的新方法，包括联合考虑硬件和算法，是缩小它们的关键，”卡拉曼说。

新芯片以每秒20帧的速度处理流式图像，并自动执行命令以调整无人机在太空中的方向。简化的芯片执行所有这些计算，同时使用低于2瓦的功率，使其比当前的无人机嵌入式芯片效率高一个数量级。

卡拉曼表示，该团队的设计是设计“能够独立飞行的最小型智能无人机”的第一步。他最终设想了灾难响应和搜索和救援任务，其中昆虫大小的无人机在狭窄的空间内进出，以检查倒塌的结构或寻找被困人员。卡拉曼还预见到消费电子产品的新用途。

“想象一下，买一个可以与你的手机集成的瓶盖式无人机，你可以把它拿出来放在手掌上，”他说。“如果你举起一点手，它就会感觉到，然后开始飞来拍摄你。然后你再次张开手，它会落在你的手掌上，你可以把那个视频上传到你的手机并分享它和其他人。”

Karaman和Sze的合着者是研究生Zhengdong Zhang和Amr Suleiman，以及研究科学家Luca Carlone。

从头开始

目前的迷​​你玩具原型尺寸足够小，可以放在人的指尖上，并且非常轻，仅需1瓦的电力即可从地面抬起。他们随附的摄像头和传感器需要额外的半瓦才能运行。

“缺少的部分是计算机 - 我们无法在尺寸和功率方面适合它们，”卡拉曼说。“我们需要将计算机小型化并降低功耗。”

该组迅速意识到传统的芯片设计技术可能不会产生足够小的芯片，并提供所需的处理能力，以智能地飞行小型自主无人机。

“随着晶体管变小，效率和速度都有所提高，但速度正在放缓，现在我们必须提出专门的硬件以提高效率，”Sze说。

研究人员决定从头开始构建专用芯片，开发用于处理数据的算法，以及用于执行数据处理的硬件。

调整一个公式

具体来说，研究人员对通常用于确定无人机“自我运动”的现有算法或对其在太空中的位置的认识进行了微小的改变。然后，他们在现场可编程门阵列(FPGA)上实现了各种版本的算法，这是一种非常简单的可编程芯片。为了使这一过程正式化，他们开发了一种称为迭代分裂协同设计的方法，该方法可以在实现精度的同时实现精确平衡，同时降低功耗和门数。

典型的FPGA由数十万个断开的门组成，研究人员可以以所需的模式连接以创建专用的计算元件。通过协同设计减少门数，使得团队可以选择具有更少门的FPGA芯片，从而大幅节省功耗。

“如果我们不需要某种逻辑或记忆过程，我们就不会使用它们，这可以节省很多力量，”卡拉曼解释道。

每次研究人员调整自我运动算法时，他们都会将版本映射到FPGA的门上，并将芯片连接到电路板上。然后，他们从标准无人机数据集中提供芯片数据 - 来自先前无人机飞行实验的流式图像和加速度计测量的累积，这些实验已由其他人执行并可供机器人社区使用。

“这些实验也是在动作捕捉室进行的，所以你确切知道无人机的确切位置，事后我们就会使用所有这些信息，”卡拉曼说。

节省内存

对于在FPGA芯片上实现的每个算法版本，研究人员观察了芯片在处理输入数据时所消耗的功率量，并估算了其在空间中的最终位置。

该团队最高效的设计以每秒20帧的速度处理图像，并准确估计无人机在太空中的方向，同时功耗不到2瓦。

节省的功率部分来自对芯片中存储的存储量的修改。Sze和她的同事发现，他们能够缩减算法需要处理的数据量，同时仍能实现相同的结果。因此，芯片本身能够存储更少的数据并消耗更少的功率。

“内存在功率方面确实非常昂贵，”Sze说。“由于我们进行即时计算，只要我们收到芯片上的任何数据，我们就会尝试尽可能多的处理，以便我们立即将其丢弃，这样我们就可以保留很少量的数据。芯片上的存储器无需访问片外存储器，这种存储器要贵得多。“

通过这种方式，与用于无人机的典型嵌入式计算机芯片相比，该团队能够将芯片的存储器存储量减少到2兆字节而不使用片外存储器，而无人机使用大约几千兆字节的片外存储器。

“任何可以降低功率的方式都可以减少电池尺寸或延长电池寿命，”Sze说。

今年夏天，该团队将把FPGA芯片安装到无人机上，以测试其飞行性能。最终，该团队计划在特定应用集成电路(ASIC)上实施优化算法，这是一种更专业的硬件平台，允许工程师直接在芯片上设计特定类型的门。

“我们认为我们可以将其降低到几百毫瓦，”卡拉曼说。“通过这个平台，我们可以进行各种优化，从而节省大量电力。”