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設(shè)計(jì)高效計(jì)算機(jī)芯片的方法可能會(huì)讓微型智能無人機(jī)飛上天空。

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(jì)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(jì)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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，從而自動(dòng)控制無人機(jī)的俯仰、速度和軌跡。為了做到這一點(diǎn)，這些計(jì)算機(jī)要消耗10-30瓦的功率， 由電池供電，電池對(duì)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?cè)O(shè)計(jì)了一種計(jì)算機(jī)芯片，這種芯片使用大型無人機(jī)計(jì)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(huì)議”上提出一種新的方法和設(shè)計(jì)，他們稱之為“Navion”。

該團(tuán)隊(duì)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(jì)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(shí)精簡(jiǎn)了硬件，創(chuàng)造了一種專門的計(jì)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(jì)芯片硬件和在芯片上運(yùn)行的算法的新方法。Sze表示：“傳統(tǒng)上，一種算法被設(shè)計(jì)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(jì)硬件和算法相結(jié)合，我們可以實(shí)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(dòng)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(jì)算，同時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。

Karaman說，團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)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(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(yù)見到了它在消費(fèi)電子產(chǎn)品方面的新用途。

Karaman說：“請(qǐng)?jiān)O(shè)想，購(gòu)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(huì)感知到，并開始在你四周飛行，為你攝影。然后你再?gòu)堥_手掌，它就會(huì)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。

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

團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)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(gè)專門的芯片，開發(fā)數(shù)據(jù)處理算法，以及用來運(yùn)行這種算法的硬件，幾項(xiàng)工作協(xié)同進(jìn)行。

具體而言，研究人員對(duì)現(xiàn)有的一種算法進(jìn)行了細(xì)微的改動(dòng)，該算法通常用于確定無人機(jī)的“自我運(yùn)動(dòng)”，或?qū)ζ湓诳臻g中位置進(jìn)行感知。然后，他們?cè)谝黄現(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)了不同版本的算法，F(xiàn)PGA是一種非常簡(jiǎn)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(jì)的方法，可以在降低功耗和門數(shù)量的同時(shí)確保足夠的精確度。

典型的FPGA由數(shù)十萬個(gè)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(jì)算單元。通過協(xié)同設(shè)計(jì)減少門數(shù)，團(tuán)隊(duì)選擇了一片門數(shù)極少的FPGA芯片，從而實(shí)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(chǔ)過程，我們就不會(huì)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(yùn)動(dòng)算法時(shí)，他們就把這個(gè)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(shí)驗(yàn)的流圖像和加速度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的累積。

Karaman說：“這些實(shí)驗(yàn)也是在運(yùn)動(dòng)捕捉室里完成的，所以你精確地知道無人機(jī)的位置，我們?cè)谑潞笫褂昧怂羞@些信息。”

對(duì)于在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)的每個(gè)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(shí)所消耗的電量，。

該團(tuán)隊(duì)最有效的設(shè)計(jì)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(shí)消耗低于2瓦的功率。

功率節(jié)省部分來自對(duì)于存儲(chǔ)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(shí)仍然獲得相同的結(jié)果。因而芯片本身可以存儲(chǔ)更少的數(shù)據(jù)，消耗更少的電能。

Sze說：“在節(jié)能方面，存儲(chǔ)的代價(jià)非常巨大。因?yàn)槲覀円鰟?dòng)態(tài)計(jì)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(chǔ)空間，無需訪問昂貴的片外存儲(chǔ)器。”

通過這種方式，團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑿酒拇鎯?chǔ)容量減少到2MB，無需使用片外存儲(chǔ)器，而典型的無人機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)芯片使用幾GB的片外存儲(chǔ)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(zhǎng)電池壽命，這是更好的選擇。”

今年夏天，該團(tuán)隊(duì)將把FPGA芯片安裝在無人機(jī)上，以測(cè)試它在飛行中的性能。最終，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在專用集成電路（ASIC）上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化算法，ASIC是一種更專業(yè)的硬件平臺(tái)，可讓工程師直接在芯片上設(shè)計(jì)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(gè)平臺(tái)，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(xiàng)研究得到了空軍科學(xué)研究處和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的部分支持。