“芯片升级有助于蜜蜂大小的无人机导航”

麻省理工学院的研究人员去年设计了一种微型计算机芯片，旨在帮助蜜蜂大小的无人机导航，但现在芯片设计在尺寸和功耗方面进一步缩小。

该团队由麻省理工学院电气工程和计算机科学系( eecs )副教授vivienne sze和1948年航空航天副教授sertac karaman共同指导，从地面上构建了完全定制的芯片 重点是降低功耗和尺寸，提高解决速度。

这个叫navion的新电脑芯片本周在vlsi技术和电路研讨会上展出。 只有20平方毫米，相当于约lego minifigure的尺寸。 耗电量只有24毫瓦，或者是向灯泡供电所需能量的约千分之一。

利用该微小的功率，该芯片可以以每秒171帧的速度解决实时相机图像和惯性测量，两者都被用于明确空之间的位置。 研究人员表示，该芯片可集成到指甲这样的小纳米生物中，特别是在无法获得全球定位卫星数据的偏远和难以到达的地方进行导航。

芯片设计也可以在需要用有限电源长期导航的小型机器人和设备上运行。

可以想象将这个芯片应用于低能机器人技术，例如指甲大小的振翅飞机，或者像气象球那样比空气体轻的飞机。 这台机器必须用一个电池运转几个月。 卡拉曼说。 他是麻省理工学院新闻与决策系统实验室和数据、系统与社会研究所的成员。 或者，想象一下吞下的小药片等医疗器械。 可以用非常小的电池用非常聪明的方法进行导航。 因为不会在体内过热。 我们制作的芯片有助于处理所有这些问题。

sze和karaman的共同研究者是eecs研究生amr suleiman，他是第一作者； ECS研究生郑正东； 和luca carlone一起，他是项目期间的研究科学家，现在是麻省理工航空空航天学系的助理教授。

灵活的芯片

在这几年里，许多研究小组已经设计出了小型无人机，可以放在手心里。 科学家认为，这些小汽车(如蚊子大小的摄影师和测量员)可以飞来飞去，拍摄周围环境的照片，降落在手掌上，方便保管。

但是，手掌大小的无人机只能搭载这么多电池电量。 其中大部分用于使电机飞行，导航，特别是状态估计和机器人的能力等其他基本操作只剩下很少的能量。

以前流传的机器人技术使用现有的现有计算机，并在它们上实现“状态估计”算法。 因为不用担心耗电量。 卡拉曼说。 但是，在我们需要小型化低功耗APP的项目中，我们现在必须用非常不同的方法来考虑编程的挑战。

在他们以前的工作中，sze和karaman开始通过在一个芯片上结合算法和硬件来解决这些问题。 他们的初始设计由现场可编程门阵列或fpga实现，fpga是商业硬件平台，可以配置在特定的APP应用中。 这个芯片可以用2瓦的功率进行状态估计，但是对于大型标准无人机来说，通常需要10~30瓦来执行相同的任务。 尽管如此，芯片的功耗比微型无人机一般能够搭载的总功率还大，研究人员估计其功耗约为100兆瓦。

为了进一步缩小芯片尺寸和功耗，团队决定从一开始就构建芯片，而不是重新构建现有的设计。 这提高了芯片设计的灵活性。 sze先生说。

向世界奔跑[/s2/]

为了降低芯片的功耗，该小组提出了以相机图像和惯性测量的形式，将数据量降到最低的设计。 这个设计在任何时候都保存在芯片上。 该设计还优化了这些数据在芯片上的流动方式。

我们实际压缩暂时保存在芯片上的图像。 因为这需要更少的内存。 sze说他是麻省理工学院电子实验室的成员。 这个小组还减少了无关的操作，比如零的计算，变成了零。 研究人员找到了跳过数据中与零相关的计算步骤的方法。 这样就不需要解决和保存所有这些零。 sze说:“这可以大大减少不必要的存储和计算周期，降低芯片大小和功耗，从而提高芯片的解决速度。”

通过他们的设计，这个团队把芯片的内存从以前的2兆字节减少到了约0.8兆字节。 这个小组测试了以前收集的数据集的芯片。 这些数据集是无人机飞越多个环境(例如办公室和仓库类型空之间)生成的。

sze说:“我们定制了芯片以实现低功耗和高速解决，但我们有足够的灵活性以适应这些不同的环境，从而实现更大的节能。” 重要的是在灵活性和效率之间取得平衡。 也可以将该芯片重新配置为支持不同的相机和惯性测量单元( imu )传感器。

根据这些测试，研究人员发现芯片的功耗可以从2瓦减少到24毫瓦，这使得芯片能够以每秒171帧的速度解决图像。 这个速度比数据集的投影速度还要高。

这个团队计划通过在微型汽车上安装芯片来展示设计。 在屏幕上显示车载摄像机的实时视频时，研究人员希望明确芯片在粗空中的实时位置和执行该任务所用的电量。 最终，小组计划用真正的无人机测试芯片，最终测试微型无人机。

该研究部分得到空军科学研究室和国家科学基金会的支持。

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