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MIT研发微型低功耗芯片,可打造指甲盖大小无人机

时间:2018-06-22 作者:网络整理 阅读:
麻省理工学院电气工程与计算机科学系的研究团队设计出只有20平方毫米的微型计算机芯片,可以实时处理惯性和相机图像,它们是无人机飞行的两个关键部份。

据VentureBeat报道,得益于麻省理工学院(MIT)的研究,未来的无人机可能只有指甲盖大小。

去年,麻省理工学院的研究人员设计出一种微型计算机芯片,专为蜜蜂大小的无人机导航。如今,该芯片设计在尺寸和功耗上都进一步缩小,处理速度进一步提高。该升级版芯片被命名为Navion,只有20平方毫米大小,仅仅消耗24毫瓦电能,约等于灯泡供电所需能量的千分之一。
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Navion可以集成到指甲一样小的无人机中,仅靠一个电池便能够工作几个月。(图片来源:MIT News)

利用微量的功率,该芯片能够以高达每秒171帧的速度处理实时相机图像以及惯性测量,这两种方法都可以用来确定它在空中的位置,这比大疆精灵3的图像处理速度快5.7倍。研究人员说,该芯片可以集成到指甲大小的“nanodrones”中,在远程或难以进入的地方,全球定位卫星数据不可用的时候帮助导航。

该小组由麻省理工学院电气工程与计算机科学系(EECS)副教授Vivienne Sze和1948级航空航天学职业发展副教授Sertac Karaman共同领导,从头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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团队成员(图片来源:twitter@ EEMS Group @ MIT (PI: Vivienne Sze)

这并不是该团队参加的第一场微型芯片竞赛。去年,该团队使用现场可编程门阵列(FPGA)开发了一种无人机控制芯片,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。

Sertac Karaman表示;“在传统的机器人技术中,我们使用现现成计算机,并在它们上面部署(状态估计)算法,因为我们通常不必担心功耗。但在每一个需要我们缩小低功耗应用的项目中,我们必须以一种截然不同的方式考虑编程面临的挑战。”

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。他们找到了一种方法,可以将任何时间存储在内存中的数据量最小化,将芯片的功耗降低到24毫瓦,并将其内存大小从之前的2MB降低到0.8MB。该团队在先前收集的无人机产生的数据集上对芯片进行测试,这些无人机在多种环境中飞行,如办公室和仓库式空间。
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麻省理工学院研究人员设计的微型无人机芯片Navion(图片来源:twitter@ EEMS Group @ MIT (PI: Vivienne Sze))

“任何我们暂时存储在芯片上的图像,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的成员Sze说。该团队还减少了无关的操作,例如计算零点,这会导致零点。研究人员找到了一种方法来跳过涉及数据中任何零的计算步骤。“这让我们避免了必须处理和存储所有这些零,因此我们可以减少大量不必要的存储和计算周期,从而降低芯片尺寸和功耗,并提高芯片的处理速度。”

Sze说,“虽然我们为低功耗和高速处理的特性定制了芯片,但我们也使其具有足够的灵活性,以便它能够适应这些不同的环境,进一步节约能源,关键是在灵活性和效率之间找到平衡。”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)传感器。

但是,这种芯片目前还不适合小型无人机使用。该团队的概念验证将是一辆小型赛车,该车配有车载摄像头,可以实时播放视频。接下来,它计划把它打造成真正的无人机。

Karaman表示:“我可以想象把这个芯片应用到低能耗机器人上,比如指甲大小的机翼飞行器,或者像气象气球这样的比空气轻的飞行器,它们需要使用电池才能运行数月。这种芯片也可用于医疗设备中,比如你吞下的小药丸,它使用非常小的电池以智能方式导航,这样它就不会在你的身体里过热。我们正在打造的芯片可以帮助解决所有这些问题。”

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。

有了这种芯片,更智能、更小、运行时间更长的无人机可能即将问世。去年,研究人员设计了一种小到足以驱动“纳米无人机”或其他蜜蜂大小的无人机的计算机芯片。今年的版本更小更强大。

微型无人机可以使用这种芯片来帮助导航,特别是在偏远或无法进入的地方。需要长时间运行的小型机器人或设备也可以从这种芯片的节能特性中获益。

研究人员本周将在VLSI技术和电路研讨会上展示这种芯片,这是一个世界顶尖技术专家交流想法的会议。
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(图片来源:twitter@ EEMS Group @ MIT (PI: Vivienne Sze)

本文综合自麻省理工科技评论、Aitechyun、Techweb报道

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