設計高效計算機芯片的方法可以從地面獲得微型智能無人機

近年來，工程師們一直致力于縮小無人機技術(shù)，制造與大黃蜂相當?shù)娘w行原型，并裝載更小的傳感器和相機。到目前為止，除了整個操作的大腦 - 計算機芯片之外，他們已經(jīng)設法使無人機的幾乎每個部分都小型化。

用于四軸飛行器和其他類似尺寸無人機的標準計算機芯片處理來自攝像機和傳感器的大量流數(shù)據(jù)，并在運行中解釋該數(shù)據(jù)以自主地指導無人機的俯仰，速度和軌跡。要做到這一點，這些計算機使用的功率在10到30瓦之間，由電池提供，這些電池可以壓縮更小的蜜蜂大小的無人機。

現(xiàn)在，麻省理工學院的工程師已經(jīng)邁出了設計計算機芯片的第一步，該計算機芯片使用的是較大型無人機計算機的一小部分功率，并且專為無人機小型無人機量身定制。他們將在本周在麻省理工學院舉行的機器人：科學與系統(tǒng)會議上展示他們稱之為“Navion”的新方法和設計。

該團隊由麻省理工學院1948年職業(yè)發(fā)展副教授Sertac Karaman和麻省理工學院電氣工程與計算機科學系副教授Vivienne Sze領導，開發(fā)了一種低功耗算法，削減硬件，創(chuàng)建專門的計算機芯片。

他們工作的關(guān)鍵貢獻是設計芯片硬件和芯片上運行的算法的新方法。“傳統(tǒng)上，設計一種算法，然后將其交給硬件人員來弄清楚如何將算法映射到硬件，”Sze說。“但我們通過一起設計硬件和算法，我們可以實現(xiàn)更大幅度的節(jié)能。”

“我們發(fā)現(xiàn)這種編程機器人的新方法，包括聯(lián)合考慮硬件和算法，是縮小它們的關(guān)鍵，”卡拉曼說。

新芯片以每秒20幀的速度處理流式圖像，并自動執(zhí)行命令以調(diào)整無人機在太空中的方向。簡化的芯片執(zhí)行所有這些計算，同時使用低于2瓦的功率，使其比當前的無人機嵌入式芯片效率高一個數(shù)量級。

卡拉曼表示，該團隊的設計是設計“能夠獨立飛行的最小型智能無人機”的第一步。他最終設想了災難響應和搜索和救援任務，其中昆蟲大小的無人機在狹窄的空間內(nèi)進出，以檢查倒塌的結(jié)構(gòu)或?qū)ふ冶焕藛T?？ɡ€預見到消費電子產(chǎn)品的新用途。

“想象一下，買一個可以與你的手機集成的瓶蓋式無人機，你可以把它拿出來放在手掌上，”他說。“如果你舉起一點手，它就會感覺到，然后開始飛來拍攝你。然后你再次張開手，它會落在你的手掌上，你可以把那個視頻上傳到你的手機并分享它和其他人。”

Karaman和Sze的合著者是研究生Zhengdong Zhang和Amr Suleiman，以及研究科學家Luca Carlone。

從頭開始

目前的迷??你玩具原型尺寸足夠小，可以放在人的指尖上，并且非常輕，僅需1瓦的電力即可從地面抬起。他們隨附的攝像頭和傳感器需要額外的半瓦才能運行。

“缺少的部分是計算機 - 我們無法在尺寸和功率方面適合它們，”卡拉曼說。“我們需要將計算機小型化并降低功耗。”

該組迅速意識到傳統(tǒng)的芯片設計技術(shù)可能不會產(chǎn)生足夠小的芯片，并提供所需的處理能力，以智能地飛行小型自主無人機。

“隨著晶體管變小，效率和速度都有所提高，但速度正在放緩，現(xiàn)在我們必須提出專門的硬件以提高效率，”Sze說。

研究人員決定從頭開始構(gòu)建專用芯片，開發(fā)用于處理數(shù)據(jù)的算法，以及用于執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的硬件。

調(diào)整一個公式

具體來說，研究人員對通常用于確定無人機“自我運動”的現(xiàn)有算法或?qū)ζ湓谔罩械奈恢玫恼J識進行了微小的改變。然后，他們在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)上實現(xiàn)了各種版本的算法，這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)同設計的方法，該方法可以在實現(xiàn)精度的同時實現(xiàn)精確平衡，同時降低功耗和門數(shù)。

典型的FPGA由數(shù)十萬個斷開的門組成，研究人員可以以所需的模式連接以創(chuàng)建專用的計算元件。通過協(xié)同設計減少門數(shù)，使得團隊可以選擇具有更少門的FPGA芯片，從而大幅節(jié)省功耗。

“如果我們不需要某種邏輯或記憶過程，我們就不會使用它們，這可以節(jié)省很多力量，”卡拉曼解釋道。

每次研究人員調(diào)整自我運動算法時，他們都會將版本映射到FPGA的門上，并將芯片連接到電路板上。然后，他們從標準無人機數(shù)據(jù)集中提供芯片數(shù)據(jù) - 來自先前無人機飛行實驗的流式圖像和加速度計測量的累積，這些實驗已由其他人執(zhí)行并可供機器人社區(qū)使用。

“這些實驗也是在動作捕捉室進行的，所以你確切知道無人機的確切位置，事后我們就會使用所有這些信息，”卡拉曼說。

節(jié)省內(nèi)存

對于在FPGA芯片上實現(xiàn)的每個算法版本，研究人員觀察了芯片在處理輸入數(shù)據(jù)時所消耗的功率量，并估算了其在空間中的最終位置。

該團隊最高效的設計以每秒20幀的速度處理圖像，并準確估計無人機在太空中的方向，同時功耗不到2瓦。

節(jié)省的功率部分來自對芯片中存儲的存儲量的修改。Sze和她的同事發(fā)現(xiàn)，他們能夠縮減算法需要處理的數(shù)據(jù)量，同時仍能實現(xiàn)相同的結(jié)果。因此，芯片本身能夠存儲更少的數(shù)據(jù)并消耗更少的功率。

“內(nèi)存在功率方面確實非常昂貴，”Sze說。“由于我們進行即時計算，只要我們收到芯片上的任何數(shù)據(jù)，我們就會嘗試盡可能多的處理，以便我們立即將其丟棄，這樣我們就可以保留很少量的數(shù)據(jù)。芯片上的存儲器無需訪問片外存儲器，這種存儲器要貴得多。“

通過這種方式，與用于無人機的典型嵌入式計算機芯片相比，該團隊能夠?qū)⑿酒拇鎯ζ鞔鎯α繙p少到2兆字節(jié)而不使用片外存儲器，而無人機使用大約幾千兆字節(jié)的片外存儲器。

“任何可以降低功率的方式都可以減少電池尺寸或延長電池壽命，”Sze說。

今年夏天，該團隊將把FPGA芯片安裝到無人機上，以測試其飛行性能。最終，該團隊計劃在特定應用集成電路(ASIC)上實施優(yōu)化算法，這是一種更專業(yè)的硬件平臺，允許工程師直接在芯片上設計特定類型的門。

“我們認為我們可以將其降低到幾百毫瓦，”卡拉曼說。“通過這個平臺，我們可以進行各種優(yōu)化，從而節(jié)省大量電力。”