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(wú)人機(jī)飛上天空,。
近年來(lái),工程師們致力于研發(fā)微型無(wú)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(wú)人機(jī)的幾乎每一部分都小型化了,,除了無(wú)人機(jī)的大腦——計(jì)算機(jī)芯片,。
四旋翼無(wú)人機(jī)和其他類似大小的無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)計(jì)算機(jī)的一小部分功能,,專門為瓶蓋大小的無(wú)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(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(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(xiàn),通過(guò)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(shuō):“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(lái)調(diào)整無(wú)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(wú)人機(jī)嵌入式芯片的效率要高一個(gè)數(shù)量級(jí),。
Karaman說(shuō),,團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)是邁向“最小的智能無(wú)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(chóng)大小的無(wú)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,。卡拉曼也預(yù)見(jiàn)到了它在消費(fèi)電子產(chǎn)品方面的新用途,。
Karaman說(shuō):“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(wú)人機(jī),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?gòu)堥_(kāi)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,。
從頭開(kāi)始
目前的小型無(wú)人機(jī)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(jī)和傳感器則還需要0.5瓦,。
Karaman說(shuō):“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?!?/p>
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(wú)人機(jī)飛行所需要的處理能力,。
Sze說(shuō):“隨著晶體管的規(guī)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(xiàn)在我們必須開(kāi)發(fā)出專門的硬件來(lái)提高效率,。”
研究人員決定從頭開(kāi)始構(gòu)建一個(gè)專門的芯片,,開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理算法,,以及用來(lái)運(yùn)行這種算法的硬件,幾項(xiàng)工作協(xié)同進(jìn)行,。
調(diào)整公式
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(wú)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(guò)程正式化,他們開(kāi)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(wàn)個(gè)斷開(kāi)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(guò)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(shuō):“如果我們不需要某種特定的邏輯或存儲(chǔ)過(guò)程,,我們就不會(huì)使用它們,這樣就能節(jié)省大量能量,?!?/p>
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(wú)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(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)集來(lái)自先前由其他人進(jìn)行并提供在機(jī)器人社區(qū)中的無(wú)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(shuō):“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(wú)人機(jī)的位置,,我們?cè)谑潞笫褂昧怂羞@些信息,。”
節(jié)省存儲(chǔ)
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(wú)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(lái)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(shuō):“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(wú)需訪問(wèn)昂貴的片外存儲(chǔ)器,?!?/p>
通過(guò)這種方式,團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑿酒拇鎯?chǔ)容量減少到2MB,,無(wú)需使用片外存儲(chǔ)器,,而典型的無(wú)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(shuō):“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,?!?/p>
今年夏天,該團(tuán)隊(duì)將把FPGA芯片安裝在無(wú)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(shuō):“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,。