微型低功耗芯片用于无人机导航,重点是减少功耗和尺寸、处理速度

时间:2019-07-16 来源: 星座
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去年,麻省理工学院的研究人员设计了一种微型计算机芯片,旨在帮助硬币大小的无人机导航,现在芯片尺寸和功耗都在缩小。

该团队由麻省理工学院电气工程与计算机科学(EECS)副教授Vivienne Sze和1948年航空航天专业发展副教授Sertac Karaman领导,从零开始构建一个完全定制的芯片,重点是减少功耗和尺寸。同时提高处理速度。

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用于无人机导航的微型低功耗芯片

本周,他们将在VLSI技术与电路研讨会上展示一款名为“Navion”的新型计算机芯片,该芯片仅为20平方毫米,大约相当于LEGO minifigure的大小。它只消耗24毫瓦,大约相当于灯泡。供电所需能源的千分之一。

凭借少量功率,芯片可以以高达每秒171帧的速度处理实时摄像机图像和惯性测量,这两者都可用于确定其在空中的位置。研究人员表示,芯片可以整合到指甲大小的“纳米电子管”中,以便在有全球定位卫星数据时,远程定位或难以进入的地方无法进行导航。

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芯片设计还可以在任何需要在有限电源上长时间导航的小型机器人或设备上运行。

卡拉曼说:“我可以想象将这种芯片应用于低能量机器人,如钉子大小的飞机,或气球等气球飞机,这些机器必须使用电池运行数月。或者想象医疗设备。它可以智能地导航使用非常小的电池,因此它不会在您的身体中过热。我们正在开发的芯片可以解决这些问题。“

在过去的几年中,多个研究小组设计出的小型无人机足够小,可以放在手掌中。科学家们设想,这样的小型车辆可以四处飞行,并拍摄周围环境的照片,例如蚊子大小的摄影师或测量员,然后降落在手掌中,然后轻松存放。

但是,一架手掌大小的无人机只能携带不多的电池能量,其中大部分是用来为它的马达提供的的,几乎没有为其他基本操作提供能量,比如导航,特别是状态评估,或者能够确定它在空中的位置。

“在传统的机器人技术中,我们采用现有的现成计算机并对其实施状态估计算法,因为我们通常不必担心功耗,”卡拉曼说。“但是在每一个需要我们小型化低功耗应用的项目中,我们都必须以一种完全不同的方式思考面临的挑战。”

在他们之前的工作中,施先生和卡拉曼通过在单个芯片中结合算法和硬件来解决这些问题。他们的最初设计是在现场可编程门阵列或FPGA上实现的,FPGA是一种可配置给定应用的商用硬件平台。该芯片能够使用2瓦的功率执行状态估计,而较大的标准无人机通常需要10至30瓦来执行相同的任务。尽管如此,该芯片的功耗仍然高于微型无人机通常能够承载的功耗总量,研究人员估计其功耗约为100毫瓦。

为了进一步缩小芯片尺寸和功耗,该团队决定从头开始开发芯片,而不是重新配置现有设计。

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为了减少芯片的功耗,该组织提出了一种设计,以最大限度地减少在任何给定时间存储在芯片上的数据量(以照相机图像和惯性测量的形式)。该设计还优化了数据流经芯片的方式。

XX“我们临时存储在芯片上的任何图像实际上都是压缩的,所以它需要更少的内存,”麻省理工学院电子研究实验室成员Sze说。该团队还减少了不相关的操作,例如计算零,从而导致零。研究人员找到了一种方法来跳过涉及数据中任何零点的计算步骤。 “这使我们能够避免必须处理和存储所有这些零,因此我们可以减少不必要的存储和计算周期,从而减少芯片尺寸和功耗,并提高芯片的处理速度。”

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。该团队测试了以前收集的数据集上的芯片,这些数据集是由无人机产生的,这些无人机在各种环境中飞行,例如办公室和仓库空间。

Sze说:“虽然我们已经为低功耗和高速处理定制了芯片,但我们也可以灵活地适应这些不同的环境,进一步节省能源,关键是灵活性和效率。找到两者之间的平衡。“芯片也可以重新配置,以支持不同的摄像机和惯性测量单元(IMU)传感器。

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通过这些测试,研究人员发现他们能够将芯片的功耗从2瓦减少到24毫瓦,这足以让芯片以每秒171帧的速度处理图像,这比预测数据集更快。

该团队计划通过在微型汽车上实施其芯片来展示其设计。当屏幕显示来自车载摄像头的实时视频时,研究人员还希望能够显示芯片在空中的实时位置以及用于执行任务的电量。最后,该团队计划在真正的无人机上测试芯片,并最终在微型无人机上进行测试。

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