MIT工程師引產(chǎn)業(yè)顛覆：功耗最小的無人機(jī)芯片問世

　　近年來，工程師們致力于研發(fā)微型無人機(jī)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(jī)。目前，他們已經(jīng)成功將無人機(jī)的幾乎每一部分都小型化了，除了無人機(jī)的大腦——計算機(jī)芯片。

　　四旋翼無人機(jī)和其他類似大小的無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)芯片可以從攝像機(jī)和傳感器中獲取大量數(shù)據(jù)流，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，從而自動控制無人機(jī)的俯仰、速度和軌跡。為了做到這一點，這些計算機(jī)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(jī)而言是很大的負(fù)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(jī)芯片，這種芯片使用大型無人機(jī)計算機(jī)的一小部分功能，專門為瓶蓋大小的無人機(jī)量身定制。他們將于本周在MIT舉行的“機(jī)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(tuán)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(jī)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(jī)芯片。

　　他們工作的關(guān)鍵貢獻(xiàn)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。”

　　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(jī)器人的新方法是減小尺寸的關(guān)鍵。”

　　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(jī)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(jī)嵌入式芯片的效率要高一個數(shù)量級。

　　Karaman說，團(tuán)隊的設(shè)計是邁向“最小的智能無人機(jī)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(jī)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(jī)結(jié)合的瓶蓋大小的無人機(jī)，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(jī)上，并與他人分享。”

　　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(jī)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(jī)和傳感器則還需要0.5瓦。

　　Karaman說：“缺少的部分是計算機(jī)，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(jī)小型化，并降低其功耗。”

　　團(tuán)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(jī)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。”

　　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(jìn)行。

　　調(diào)整公式

　　具體而言，研究人員對現(xiàn)有的一種算法進(jìn)行了細(xì)微的改動，該算法通常用于確定無人機(jī)的“自我運動”，或?qū)ζ湓诳臻g中位置進(jìn)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(jìn)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(tuán)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。”

　　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(jī)數(shù)據(jù)集里的數(shù)據(jù)輸入到芯片中，標(biāo)準(zhǔn)無人機(jī)數(shù)據(jù)集來自先前由其他人進(jìn)行并提供在機(jī)器人社區(qū)中的無人機(jī)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(jī)的位置，我們在事后使用了所有這些信息。”

　　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(tuán)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(jī)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(jìn)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。”

　　通過這種方式，團(tuán)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(jī)嵌入式計算機(jī)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。”

　　今年夏天，該團(tuán)隊將把FPGA芯片安裝在無人機(jī)上，以測試它在飛行中的性能。最終，該團(tuán)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(rèn)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(jìn)行各種優(yōu)化，這樣可以節(jié)省大量電能。”

　　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。