【技术创新】芯片升级助力微型无人机导航

2018年6月20日

　　美国麻省理工学院（MIT）研究人员去年设计了一种微型电脑芯片，专门用于帮助类似蜜蜂大小的微小型无人机进行导航。如今，无论是在体积还是耗电量方面，他们又进一步优化了芯片设计。

　　该研究团队由MIT电气工程和计算机科学（EECS）副教授Vivienne Sze和航空与航天学1948级职业发展副教授Karaman Sertac共同负责，从头新建一个完全定制型芯片，重点在于降低功耗和减小尺寸，同时增加处理速度。

　　在本周举行的VLSI技术和电路研讨会（Symposia on VLSI Technology and Circuits）上推出的这款名为“Navion”的新型电脑芯片，其大小仅为20平方毫米，大约一个乐高（LEGO）细小玩具人偶足迹大小，消耗24毫瓦电能，约为一个灯泡所需电能的1/1000。

　　基于如此微小的电能，该芯片能够以每秒171帧的速度进行相机实时图像处理，以及信号惯性延迟测量，它使用这2种方法可以进行空间位置确定。研究人员表示，这种芯片可以集成到只有手指甲大小的“纳米无人机”上，助力飞行器导航，特别是在全球定位卫星（GPS）数据面向无法获取而且人员又无法进入的偏远地区。

　　该芯片设计还可以在小型机器人或需要有限电源支持进行长时间导航工作的设备上进行。

　　MIT信息与决策系统实验室以及数据、系统和社会研究所研究人员Karaman指出，我可以想象将这个芯片应用于低能耗机器人技术，如1个只有指甲盖大小的振动翼工具，或像1个类似气象气球一样的轻于空气的飞行工具，只需要1块电池就具备进行好几个月工作的续航能力。或者，想象一下类似病人吞下一颗小药丸大小的医疗设备，它可以基于非常小的电池，以1种智能方式进行导航，这样它就不会在病人身体里出现过热感觉。我们正在制造的芯片可以帮助解决所有这些问题。

　　与Sze和Karaman一起进行论文撰写工作的包括论文第一作者，EECS研究生Amr Suleiman；其他作者还包括EECS研究生Zhengdong Zhang以及该研究项目科学家，现为MIT航空航天系助理教授的Luca Carlone。

一种灵活的芯片

　　过去几年，许多研究小组已经设计出了小到可以放置于手掌里的微型无人机。科学家们设想，这种微型工具可以四处飞行，就像1个类似蚊子大小的摄影师或测量员那样，对你周围的环境进行拍照，然后回到你的手掌上，在任意地方便捷储存数据。

　　一个手掌大小的无人机只能携带有限的电池能量，其中大部分电量用于发动机飞行方面，只剩下很少能量用于诸如导航功能，特别是状态估计或遥控设备空间位置确定等其他重要功能方面的运行工作。

　　Karaman表示，传统意义上的机器人学技术是利用现有常备计算机，对其实现（状态估计）算法，原因是我们通常不必担心功耗。但是对于每一个要求低功耗应用程序的小型化项目，我们现在必须寻找到一种非常不一样的方法进行编程挑战的思考。

　　Sze和Karaman在他们之前的工作中已经开始通过将算法和硬件结合到一个芯片上解决相关问题。他们的最初设计方案通过现场可编程门阵列（FPGA）实现，FPGA是一种商业硬件平台，可以面向给定的应用程序进行配置。这种芯片能够基于2瓦功率进行状态估计工作，相比之下，更大的标准无人机通常需要10到30瓦才能完成相同的任务。尽管如此，这种芯片的功耗还是超过了微型无人机通常所能携带的总功耗（研究人员估计约为100毫瓦）。

　　为了进一步缩小芯片的尺寸和功耗，该研究团队决定从头开始完整构建一个芯片，而不是对现有设计进行重新配置。Sze指出，这为我们芯片设计提供更多的灵活性。

运行原理

　　为了降低芯片的功耗，该小组进行了数据量最小化设计工作——基于摄像机图像和信号惯性延时测量方法——进行指定时间芯片存储工作。该设计同时对芯片数据流处理方式进行优化。

　　MIT电子学研究室研究人员Sze提到，我们应该对芯片上的任何图像进行暂时存储，实际上进行了压缩工作，满足更少内存需求。该团队还减少了类似“零的计算，结果是零”的无关项操作。研究人员发现了一种方法，可以跳过那些数据中任何含有零的计算步骤。这让我们不必对所有这些有关零的问题进行处理和存储，这样可以减少很多不必要的存储工作和计算周期，这样就减少了芯片尺寸大小和功率，提高了芯片处理速度。

　　通过他们的设计，该团队能够将芯片的内存从之前的2兆字节减少到0.8兆字节，进行了基于之前收集的数据集的该芯片测试工作，这些数据集是无人机在多个环境中飞行活动中获取，如：办公室和仓库类型等空间环境。

　　Sze表示，当我们以低功耗和高速处理方式进行芯片定制时，我们进行了灵活性充分设计，以便能够适应这些不同环境，节省额外能源。此项工作的关键是在灵活性和效率之间找到平衡。芯片还可以重新配置，对不同摄像机和惯性测量单元（IMU）传感器进行支持。

　　基于这些测试工作，研究人员发现他们能够将芯片功耗从2瓦降低至24毫瓦，这足以驱动芯片以171帧/秒的速度处理图像，这甚至快于预计的数据集处理速度。

　　该团队计划通过在微型赛车上安装芯片对其设计成果进行演示。在屏幕上显示机载摄像机实时视频的同时，研究人员还希望对芯片测定位置，空中实时位置以及任务用电量问题进行显示。最终，研究小组计划在真正的无人机上对这种芯片进行测试，最终在微型无人机上实现测试工作。

　　原文题目：Chip upgrade helps miniature drones navigate

　　资料来源：https://news.mit.edu/2018/novel-chip-upgrade-helps-miniature-drones-navigate-0620

　　（王化编译，殷永元审核）