設(shè)計(jì)高效計(jì)算機(jī)芯片的方法可以從地面獲得微型智能無人機(jī)

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

用于四軸飛行器和其他類似尺寸無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)芯片處理來自攝像機(jī)和傳感器的大量流數(shù)據(jù)，并在運(yùn)行中解釋該數(shù)據(jù)以自主地指導(dǎo)無人機(jī)的俯仰，速度和軌跡。要做到這一點(diǎn)，這些計(jì)算機(jī)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(jī)。

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

該團(tuán)隊(duì)由麻省理工學(xué)院1948年職業(yè)發(fā)展副教授Sertac Karaman和麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授Vivienne Sze領(lǐng)導(dǎo)，開發(fā)了一種低功耗算法，削減硬件，創(chuàng)建專門的計(jì)算機(jī)芯片。

他們工作的關(guān)鍵貢獻(xiàn)是設(shè)計(jì)芯片硬件和芯片上運(yùn)行的算法的新方法。“傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)硬件和算法，我們可以實(shí)現(xiàn)更大幅度的節(jié)能。”

“我們發(fā)現(xiàn)這種編程機(jī)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(dòng)執(zhí)行命令以調(diào)整無人機(jī)在太空中的方向。簡化的芯片執(zhí)行所有這些計(jì)算，同時(shí)使用低于2瓦的功率，使其比當(dāng)前的無人機(jī)嵌入式芯片效率高一個(gè)數(shù)量級。

卡拉曼表示，該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)“能夠獨(dú)立飛行的最小型智能無人機(jī)”的第一步。他最終設(shè)想了災(zāi)難響應(yīng)和搜索和救援任務(wù)，其中昆蟲大小的無人機(jī)在狹窄的空間內(nèi)進(jìn)出，以檢查倒塌的結(jié)構(gòu)或?qū)ふ冶焕藛T?？ɡ€預(yù)見到消費(fèi)電子產(chǎn)品的新用途。

“想象一下，買一個(gè)可以與你的手機(jī)集成的瓶蓋式無人機(jī)，你可以把它拿出來放在手掌上，”他說。“如果你舉起一點(diǎn)手，它就會(huì)感覺到，然后開始飛來拍攝你。然后你再次張開手，它會(huì)落在你的手掌上，你可以把那個(gè)視頻上傳到你的手機(jī)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(xué)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(yùn)行。

“缺少的部分是計(jì)算機(jī) - 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(jì)算機(jī)小型化并降低功耗。”

該組迅速意識到傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)可能不會(huì)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(jī)。

“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(gè)公式

具體來說，研究人員對通常用于確定無人機(jī)“自我運(yùn)動(dòng)”的現(xiàn)有算法或?qū)ζ湓谔罩械奈恢玫恼J(rèn)識進(jìn)行了微小的改變。然后，他們在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)上實(shí)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(shè)計(jì)的方法，該方法可以在實(shí)現(xiàn)精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確平衡，同時(shí)降低功耗和門數(shù)。

典型的FPGA由數(shù)十萬個(gè)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(jì)算元件。通過協(xié)同設(shè)計(jì)減少門數(shù)，使得團(tuán)隊(duì)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(huì)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(yùn)動(dòng)算法時(shí)，他們都會(huì)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(biāo)準(zhǔn)無人機(jī)數(shù)據(jù)集中提供芯片數(shù)據(jù) - 來自先前無人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)的流式圖像和加速度計(jì)測量的累積，這些實(shí)驗(yàn)已由其他人執(zhí)行并可供機(jī)器人社區(qū)使用。

“這些實(shí)驗(yàn)也是在動(dòng)作捕捉室進(jìn)行的，所以你確切知道無人機(jī)的確切位置，事后我們就會(huì)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(shí)現(xiàn)的每個(gè)算法版本，研究人員觀察了芯片在處理輸入數(shù)據(jù)時(shí)所消耗的功率量，并估算了其在空間中的最終位置。

該團(tuán)隊(duì)最高效的設(shè)計(jì)以每秒20幀的速度處理圖像，并準(zhǔn)確估計(jì)無人機(jī)在太空中的方向，同時(shí)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(shí)仍能實(shí)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(shí)非常昂貴，”Sze說。“由于我們進(jìn)行即時(shí)計(jì)算，只要我們收到芯片上的任何數(shù)據(jù)，我們就會(huì)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(jī)的典型嵌入式計(jì)算機(jī)芯片相比，該團(tuán)隊(duì)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(jī)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(tuán)隊(duì)將把FPGA芯片安裝到無人機(jī)上，以測試其飛行性能。最終，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在特定應(yīng)用集成電路(ASIC)上實(shí)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(shè)計(jì)特定類型的門。

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