2018年6月20日

　　美國麻省理工學院（MIT）研究人員去年設計了一種微型電腦芯片，專門用于幫助類似蜜蜂大小的微小型無人機進行導航。如今，無論是在體積還是耗電量方面，他們又進一步優(yōu)化了芯片設計。

　　該研究團隊由MIT電氣工程和計算機科學（EECS）副教授Vivienne Sze和航空與航天學1948級職業(yè)發(fā)展副教授Karaman Sertac共同負責，從頭新建一個完全定制型芯片，重點在于降低功耗和減小尺寸，同時增加處理速度。

　　在本周舉行的VLSI技術和電路研討會（Symposia on VLSI Technology and Circuits）上推出的這款名為“Navion”的新型電腦芯片，其大小僅為20平方毫米，大約一個樂高（LEGO）細小玩具人偶足跡大小，消耗24毫瓦電能，約為一個燈泡所需電能的1/1000。

　　基于如此微小的電能，該芯片能夠以每秒171幀的速度進行相機實時圖像處理，以及信號慣性延遲測量，它使用這2種方法可以進行空間位置確定。研究人員表示，這種芯片可以集成到只有手指甲大小的“納米無人機”上，助力飛行器導航，特別是在全球定位衛(wèi)星（GPS）數(shù)據(jù)面向無法獲取而且人員又無法進入的偏遠地區(qū)。

　　該芯片設計還可以在小型機器人或需要有限電源支持進行長時間導航工作的設備上進行。

　　MIT信息與決策系統(tǒng)實驗室以及數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和社會研究所研究人員Karaman指出，我可以想象將這個芯片應用于低能耗機器人技術，如1個只有指甲蓋大小的振動翼工具，或像1個類似氣象氣球一樣的輕于空氣的飛行工具，只需要1塊電池就具備進行好幾個月工作的續(xù)航能力?；蛘?，想象一下類似病人吞下一顆小藥丸大小的醫(yī)療設備，它可以基于非常小的電池，以1種智能方式進行導航，這樣它就不會在病人身體里出現(xiàn)過熱感覺。我們正在制造的芯片可以幫助解決所有這些問題。

　　與Sze和Karaman一起進行論文撰寫工作的包括論文第一作者，EECS研究生Amr Suleiman；其他作者還包括EECS研究生Zhengdong Zhang以及該研究項目科學家，現(xiàn)為MIT航空航天系助理教授的Luca Carlone。

一種靈活的芯片

　　過去幾年，許多研究小組已經(jīng)設計出了小到可以放置于手掌里的微型無人機?？茖W家們設想，這種微型工具可以四處飛行，就像1個類似蚊子大小的攝影師或測量員那樣，對你周圍的環(huán)境進行拍照，然后回到你的手掌上，在任意地方便捷儲存數(shù)據(jù)。

　　一個手掌大小的無人機只能攜帶有限的電池能量，其中大部分電量用于發(fā)動機飛行方面，只剩下很少能量用于諸如導航功能，特別是狀態(tài)估計或遙控設備空間位置確定等其他重要功能方面的運行工作。

　　Karaman表示，傳統(tǒng)意義上的機器人學技術是利用現(xiàn)有常備計算機，對其實現(xiàn)（狀態(tài)估計）算法，原因是我們通常不必擔心功耗。但是對于每一個要求低功耗應用程序的小型化項目，我們現(xiàn)在必須尋找到一種非常不一樣的方法進行編程挑戰(zhàn)的思考。

　　Sze和Karaman在他們之前的工作中已經(jīng)開始通過將算法和硬件結(jié)合到一個芯片上解決相關問題。他們的最初設計方案通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)，F(xiàn)PGA是一種商業(yè)硬件平臺，可以面向給定的應用程序進行配置。這種芯片能夠基于2瓦功率進行狀態(tài)估計工作，相比之下，更大的標準無人機通常需要10到30瓦才能完成相同的任務。盡管如此，這種芯片的功耗還是超過了微型無人機通常所能攜帶的總功耗（研究人員估計約為100毫瓦）。

　　為了進一步縮小芯片的尺寸和功耗，該研究團隊決定從頭開始完整構(gòu)建一個芯片，而不是對現(xiàn)有設計進行重新配置。Sze指出，這為我們芯片設計提供更多的靈活性。

運行原理

　　為了降低芯片的功耗，該小組進行了數(shù)據(jù)量最小化設計工作——基于攝像機圖像和信號慣性延時測量方法——進行指定時間芯片存儲工作。該設計同時對芯片數(shù)據(jù)流處理方式進行優(yōu)化。

　　MIT電子學研究室研究人員Sze提到，我們應該對芯片上的任何圖像進行暫時存儲，實際上進行了壓縮工作，滿足更少內(nèi)存需求。該團隊還減少了類似“零的計算，結(jié)果是零”的無關項操作。研究人員發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以跳過那些數(shù)據(jù)中任何含有零的計算步驟。這讓我們不必對所有這些有關零的問題進行處理和存儲，這樣可以減少很多不必要的存儲工作和計算周期，這樣就減少了芯片尺寸大小和功率，提高了芯片處理速度。

　　通過他們的設計，該團隊能夠?qū)⑿酒膬?nèi)存從之前的2兆字節(jié)減少到0.8兆字節(jié)，進行了基于之前收集的數(shù)據(jù)集的該芯片測試工作，這些數(shù)據(jù)集是無人機在多個環(huán)境中飛行活動中獲取，如：辦公室和倉庫類型等空間環(huán)境。

　　Sze表示，當我們以低功耗和高速處理方式進行芯片定制時，我們進行了靈活性充分設計，以便能夠適應這些不同環(huán)境，節(jié)省額外能源。此項工作的關鍵是在靈活性和效率之間找到平衡。芯片還可以重新配置，對不同攝像機和慣性測量單元（IMU）傳感器進行支持。

　　基于這些測試工作，研究人員發(fā)現(xiàn)他們能夠?qū)⑿酒膹?瓦降低至24毫瓦，這足以驅(qū)動芯片以171幀/秒的速度處理圖像，這甚至快于預計的數(shù)據(jù)集處理速度。

　　該團隊計劃通過在微型賽車上安裝芯片對其設計成果進行演示。在屏幕上顯示機載攝像機實時視頻的同時，研究人員還希望對芯片測定位置，空中實時位置以及任務用電量問題進行顯示。最終，研究小組計劃在真正的無人機上對這種芯片進行測試，最終在微型無人機上實現(xiàn)測試工作。

　　原文題目：Chip upgrade helps miniature drones navigate

　　資料來源：https://news.mit.edu/2018/novel-chip-upgrade-helps-miniature-drones-navigate-0620

　　（王化編譯，殷永元審核）