一种新的计算机芯片，比美国的一角硬币还小，只有四分之一的规模，可以帮助微型无人机在飞行中导航。图片由研究人员提供。
麻省理工学院(MIT)的研究人员去年设计了一种微型计算机芯片，专门帮助蜜蜂大小的无人机导航。现在，他们的芯片设计在尺寸和功耗方面进一步缩小。
这种名为“ Navion”的新型电脑芯片本周将在超大规模集成
电路技术座谈会(Symposia on VLSI Technology and circuit)上展示。它的面积只有20平方毫米(相当于一个乐高人仔的体积) ，仅消耗24毫瓦的功率，相当于一个灯泡所需能量的千分之一。
使用这么小的功率，芯片可以处理高达171帧率的实时照相机图像，以及惯性测量，这两者都可以用来确定它在太空中的位置。研究人员表示，这种芯片可以集成到指甲那么小的“纳米无人机”中，以帮助飞行器导航，尤其是在无法获得全球定位卫星数据的偏远地区。
芯片设计也可以运行在任何小型机器人或设备上，需要在有限的
电源下长时间导航。
卡拉曼是麻省理工学院信息与决策系统实验室(Laboratory for Informa
tion and Decision Systems)和数据、系统与社会研究所(Institute for Data，Systems and Society at MIT)的成员。他说: “我可以想象，将这种芯片应用于低能耗机器人，比如指甲大小的扑翼飞行器，或者比空气还轻的气象气球飞行器，它们需要一块电池持续工作数月。”。“或者想象一下，医疗设备就像你吞下的一颗小药丸，它可以用很少的电池以一种智能的方式导航，这样它就不会在你体内过热。我们正在制造的芯片可以帮助解决所有这些问题。”
Sze 和 Karaman 的合著者是 EECS 研究生 Amr Suleiman，他是第一作者; EECS 研究生 Zhengdong Zhang; Luca Carlone，他是项目期间的研究科学家，现在是麻省理工学院航空航天部的助理教授。
一个柔性芯片
在过去的几年里，多个研究
小组已经设计出了小到可以放在你手掌中的微型无人机。科学家们设想，这种微型飞行器可以飞来飞去，拍摄周围环境，就像蚊子大小的摄影师或测量员那样，然后再落回你的手掌，这样它们就可以很容易地存放起来。
但是一个手掌大小的无人机只能携带这么多的电池电量，其中大部分电池电量用于驱动发动机飞行，剩下的能量很少用于其他基本操作，比如导航，尤其是状态估计，或者机器人确定自己在太空中位置的能力。
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，并在它们上面实现(状态估计)算法，因为我们通常不必担心能源消耗。”。“但在每一个需要我们将低功耗应用微型化的项目中，我们现在必须以一种非常不同的方式来考虑编程的挑战。”
在他们之前的工作中，Sze 和 Karaman 开始通过将算法和硬件结合到单个芯片中来解决这些问题。他们最初的设计是在一个可配置给定应用程序的商用硬件平台---- 现场可编程逻辑门阵列或
FPGA 上实现的。该芯片能够使用2瓦功率执行状态估计，相比之下，更大的标准无人机通常需要10到30瓦来执行相同的任务。尽管如此，芯片的功耗还是大于微型无人机通常所能携带的总功耗，研究人员估计这一功耗大约为100毫瓦。
为了进一步缩小芯片的尺寸和功耗，研究小组决定从头开始制造芯片，而不是重新配置现有的设计。“这给了我们芯片设计更大的灵活性,”施说。
在世界上奔跑
为了降低芯片的功耗，研究小组设计了一种方案，将在任何给定时间存储在芯片上的数据(以照相机图像和惯性测量的形式)最小化。该设计还优化了这些数据在芯片上的流动方式。
麻省理工学院
电子学研究实验室成员 Sze 说: “任何我们暂时存储在芯片上的图像，我们实际上都进行了压缩，所以需要的内存更少。”。研究小组还减少了额外的操作，比如计算零，结果是零。研究人员发现了一种跳过这些计算步骤的方法，这些计算步骤包括数据中的任何零。“这使我们不必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，从而降低了芯片的大小和功耗，并提高了芯片的处理速度,”Sze 说。
通过他们的设计，该小组能够将芯片的内存从以前的2兆减少到大约0.8兆。该团队在之前收集的数据集上测试了这种芯片，这些数据集是由无人机在多个环境中飞行产生的，比如办公室和仓库类型的空间。
“虽然我们定制了低功耗和高速处理的芯片，我们也使它足够灵活，以便它能够适应这些不同的环境，以节省额外的能源,”Sze 说。“关键在于找到灵活性与效率之间的平衡。”该芯片还可以重新配置，以支持不同的摄像头和惯性导航系统传感器。
通过这些测试，研究人员发现他们能够将芯片的功耗从2瓦降低到24毫瓦，这足以让芯片以171帧率/秒的速度处理图像---- 这个速度甚至比数据集的预测速度还要快。
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