MIT工程師引產(chǎn)業(yè)顛覆：功耗最小的無(wú)人機芯片問(wèn)世

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

　　四旋翼無(wú)人機和其他類(lèi)似大小的無(wú)人機的標準計算機芯片可以從攝像機和傳感器中獲取大量數據流，并對這些數據進(jìn)行解讀，從而自動(dòng)控制無(wú)人機的俯仰、速度和軌跡。為了做到這一點(diǎn)，這些計算機要消耗10-30瓦的功率，由電池供電，電池對于黃蜂大小的無(wú)人機而言是很大的負荷。

　　現在，MIT的工程師們已經(jīng)邁出了第一步，他們設計了一種計算機芯片，這種芯片使用大型無(wú)人機計算機的一小部分功能，專(zhuān)門(mén)為瓶蓋大小的無(wú)人機量身定制。他們將于本周在MIT舉行的“機器人：科學(xué)和系統會(huì )議”上提出一種新的方法和設計，他們稱(chēng)之為“Navion”。

　　該團隊由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電氣工程和計算機科學(xué)學(xué)院副教授。他們開(kāi)發(fā)了一種低功耗的算法，同時(shí)精簡(jiǎn)了硬件，創(chuàng )造了一種專(zhuān)門(mén)的計算機芯片。

　　他們工作的關(guān)鍵貢獻是提出了一種設計芯片硬件和在芯片上運行的算法的新方法。Sze表示：“傳統上，一種算法被設計出來(lái)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，通過(guò)把設計硬件和算法相結合，我們可以實(shí)現更有效的節能。”

　　Karaman說(shuō)：“我們發(fā)現，這種涉及到硬件和算法協(xié)同思考的編程機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(dòng)執行命令來(lái)調整無(wú)人機在空間中的方向。新型芯片執行所有這些計算，同時(shí)功耗低于2瓦——這比目前的無(wú)人機嵌入式芯片的效率要高一個(gè)數量級。

　　Karaman說(shuō)，團隊的設計是邁向“最小的智能無(wú)人機可以自主飛行”的第一步。他最終設想的是災難響應和搜救任務(wù)，在這些任務(wù)中，昆蟲(chóng)大小的無(wú)人機會(huì )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見(jiàn)到了它在 消費電子 產(chǎn)品方面的新用途。

　　Karaman說(shuō)：“請設想，購買(mǎi)一款可以與你的手機結合的瓶蓋大小的無(wú)人機，你可以把它拿出來(lái)放在手掌上，你稍微抬起手，它就會(huì )感知到，并開(kāi)始在你四周飛行，為你攝影。然后你再張開(kāi)手掌，它就會(huì )落在你的手中，你可以將視頻上傳到手機上，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(kāi)始

　　目前的小型無(wú)人機原型足夠小，可以放在一個(gè)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。相機和傳感器則還需要0.5瓦。

　　Karaman說(shuō)：“缺少的部分是計算機，我們不能讓它們適應這種大小和能耗。我們需要將計算機小型化，并降低其功耗。”

　　團隊很快意識到，傳統的芯片設計技術(shù)可能不會(huì )制造出足夠小的芯片，并提供小型智能無(wú)人機飛行所需要的處理能力。

　　Sze說(shuō)：“隨著(zhù)晶體管的規模越來(lái)越小，效率和速度都有了提升，但這種速度正在放緩，現在我們必須開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)提高效率。”

　　研究人員決定從頭開(kāi)始構建一個(gè)專(zhuān)門(mén)的芯片，開(kāi)發(fā)數據處理算法，以及用來(lái)運行這種算法的硬件，幾項工作協(xié)同進(jìn)行。

　　調整公式

　　具體而言，研究人員對現有的一種算法進(jìn)行了細微的改動(dòng)，該算法通常用于確定無(wú)人機的“自我運動(dòng)”，或對其在空間中位置進(jìn)行感知。然后，他們在一片FPGA上實(shí)現了不同版本的算法，FPGA是一種非常簡(jiǎn)單的可編程芯片。為了使這一過(guò)程正式化，他們開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為迭代分裂協(xié)同設計的方法，可以在降低功耗和門(mén)數量的同時(shí)確保足夠的精確度。

　　典型的FPGA由數十萬(wàn)個(gè)斷開(kāi)的門(mén)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(zhuān)門(mén)的計算單元。通過(guò)協(xié)同設計減少門(mén)數，團隊選擇了一片門(mén)數極少的FPGA芯片，從而實(shí)現了高效的節能。

　　Karaman解釋說(shuō)：“如果我們不需要某種特定的邏輯或存儲過(guò)程，我們就不會(huì )使用它們，這樣就能節省大量能量。”

　　每當研究人員調整自我運動(dòng)算法時(shí)，他們就把這個(gè)算法版本映射到FPGA的門(mén)上，并將芯片連接到 電路板 上。然后，他們從標準無(wú)人機數據集里的數據輸入到芯片中，標準無(wú)人機數據集來(lái)自先前由其他人進(jìn)行并提供在機器人社區中的無(wú)人機飛行實(shí)驗的流圖像和加速度計測量數據的累積。

　　Karaman說(shuō)：“這些實(shí)驗也是在運動(dòng)捕捉室里完成的，所以你精確地知道無(wú)人機的位置，我們在事后使用了所有這些信息。”

　　節省存儲

　　對于在FPGA芯片上實(shí)現的每個(gè)版本的算法，研究人員觀(guān)察了芯片在處理輸入數據和估算空間位置時(shí)所消耗的電量，。

　　該團隊最有效的設計以每秒20幀的速度處理圖像，并準確地估算出無(wú)人機在空間中的方位，同時(shí)消耗低于2瓦的功率。

　　功率節省部分來(lái)自對于存儲在芯片中的內存數量的修改。Sze和她的同事發(fā)現，他們能夠減小算法需要處理的數據量，同時(shí)仍然獲得相同的結果。因而芯片本身可以存儲更少的數據，消耗更少的電能。

　　Sze說(shuō)：“在節能方面，存儲的代價(jià)非常巨大。因為我們要做動(dòng)態(tài)計算，一旦我們收到任何芯片的數據，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(wú)需訪(fǎng)問(wèn)昂貴的片外存儲器。”

　　通過(guò)這種方式，團隊能夠將芯片的存儲容量減少到2MB，無(wú)需使用片外存儲器，而典型的無(wú)人機嵌入式計算機芯片使用幾GB的片外存儲器。

　　Sze說(shuō)：“任意一種節能方式，都可以讓你減小電池的尺寸，或者延長(cháng)電池壽命，這是更好的選擇。”

　　今年夏天，該團隊將把FPGA芯片安裝在無(wú)人機上，以測試它在飛行中的性能。最終，該團隊計劃在專(zhuān)用 集成電路 (ASIC)上實(shí)現優(yōu)化算法，ASIC是一種更專(zhuān)業(yè)的硬件平臺，可讓工程師直接在芯片上設計特定類(lèi)型的門(mén)。

　　Karaman說(shuō)：“我們認為我們可以把功耗降低到幾百毫瓦，借助這個(gè)平臺，我們可以進(jìn)行各種優(yōu)化，這樣可以節省大量電能。”

　　這項研究得到了空軍科學(xué)研究處和國家科學(xué)基金會(huì )的部分支持。