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专为帮助蜜蜂大小的无人机导航而设计的芯片，现在在尺寸和功耗上进一步缩小了芯片设计。
这个团队由麻省理工学院电子工程与计算机科学系副教授Vivienne Sze和1948届航空航天职业发展副教授Sertac Karaman共同领导，他们从头开始建造了一个完全定制的芯片，专注于降低功耗和尺寸，同时也提高处理速度。
这种新的计算机芯片被命名为纳维翁的确如此本周呈现在超大规模集成电路技术和电路研讨会上，它仅为20平方毫米——大约是一个乐高微型人偶的占地面积大小——并且只消耗24毫瓦的能量，或大约是点亮一个灯泡所需能量的千分之一。
使用功率的这个微小的量，该芯片是在高达每秒171帧，以及惯性测量，这两者，使用它来确定它是在空间能够在实时的摄像机图像的过程。研究人员说，该芯片可以集成到“nanodrones”小如指甲，帮助车辆定位，特别是在偏远或交通不便的地方，全球定位卫星数据不可用。
这种芯片设计也可以在任何小型机器人或设备上运行，这些机器人或设备需要在有限的电源供应下长时间导航。
“我能想象应用该芯片的低能量的机器人，像扑翼飞行器的指甲大小，比空气轻的车辆像气象气球，那得去数月以来，一个电池，”卡拉曼说，谁是实验室信息和决策系统和研究所的数据，系统和社会在麻省理工学院的一员。“还是想象的医疗设备像你吞下一个小药丸，可以在一个智能的方式浏览上非常小的电池，所以它在你的身体不会过热。该芯片我们正在建设可以帮助所有的这些“。
施和卡拉曼的合着者EECS研究生阿姆鲁·苏莱曼，谁是第一作者;EECS研究生正东张;和Luca Carlone，谁是项目中的科学家，目前在航空航天麻省理工学院的一个系助理教授。
一个灵活的芯片
在过去的几年里，多个研究小组已经研制微型无人机足够小，以适应你的手掌。科学家们设想，这种微型车辆可绕飞和捕捉周围环境的照片，像蚊子大小的摄影师或测量师，在你的手掌，在那里他们可以很容易地存放在远离降落回来。
但是手掌大小的无人机只能携带这么多的电池能量，其中大部分都是用来让它的发动机飞行的，留给其他重要操作的能量非常少，比如导航，特别是状态估计，或者机器人确定自己在太空中的位置的能力。
卡拉曼说:“在传统的机器人技术中，我们采用现有的现成计算机，并在上面执行[状态估计]算法，因为我们通常不需要担心功耗。”“但在每一个需要我们小型化低功耗应用程序的项目中，我们现在必须考虑以一种非常不同的方式编程的挑战。”
在他们之前的工作中，Sze和Karaman开始通过在单个芯片中结合算法和硬件来解决这些问题。他们最初的设计是在现场可编程门阵列(FPGA)上实现的，这是一种可以配置到给定应用程序的商业硬件平台。该芯片能够使用2瓦的功率进行状态估计，相比之下，更大的标准无人机通常需要10到30瓦的功率来完成同样的任务。尽管如此，这种芯片的功耗还是超过了微型无人机通常可以携带的总功率，研究人员估计后者约为100毫瓦。
为了进一步缩小芯片的尺寸和功耗，该团队决定从头开始构建芯片，而不是重新配置现有的设计。“这让我们在芯片设计上有了更大的灵活性，”施说。
跑在世界
为了降低芯片的功耗，该集团提出了一个设计，以尽量减少数据量 - 摄像头的图像和惯性测量的形式 - 即在任何给定的时间存储在芯片上。该设计还优化了在芯片这个数据流的方式。
“任何我们已经暂时存储在芯片上的图像，我们实际上压缩，所以它需要较少的内存，”诗，谁是电子研究实验室在麻省理工学院的成员说。该小组还减少了多余的操作，比如零的计算，这导致了一个零。研究人员发现了一种跳跃涉及数据中的任何零的计算步骤。“这使我们能够避免必须处理和存储所有那些零，所以我们可以切出很多不必要的存储和计算周期，这降低了芯片的尺寸和功耗，并增加了芯片的处理速度的，”施说。
通过他们的设计，该团队能够将芯片的内存从之前的2兆字节减少到大约0.8兆字节。该团队在之前收集的数据集上测试了芯片，这些数据集是由无人机在多个环境中飞行生成的，比如办公室和仓库类型的空间。
“虽然我们定制的低功耗和高速处理芯片，我们也做了它足够灵活，以便它可以适应这些不同的环境中节约更多的能源，”诗说。“关键是找到的灵活性和效率之间的平衡。”该芯片还可以重新配置，以支持不同的摄像机和惯性测量单元（IMU）的传感器。
From these tests, the researchers found they were able to bring down the chip’s power consumption from 2 watts to 24 milliwatts, and that this was enough to power the chip to process images at 171 frames per second — a rate that was even faster than what the datasets projected.
该团队计划通过在一辆微型赛车上安装芯片来展示其设计。当屏幕上显示机载摄像机的实时视频时，研究人员还希望显示芯片实时确定其在太空中的位置，以及执行这项任务所使用的电量。最终，该团队计划在一架真正的无人机上测试芯片，最终是在一架微型无人机上。
这项研究是支持的，部分由科学研究空军办公室，由美国国家科学基金会。
了下:快速原型
