功耗最小的無人機晶元，產業顛覆

，謝謝。

設計高效計算機晶元的方法可能會讓微型智能無人機飛上天空。

近年來，工程師們致力於研發微型無人機技術，搭建黃蜂大小的飛行原型，並搭載更小的感測器和攝像機。目前，他們已經成功將無人機的幾乎每一部分都小型化了，除了無人機的大腦——計算機晶元。

四旋翼無人機和其他類似大小的無人機的標準計算機晶元可以從攝像機和感測器中獲取大量數據流，並對這些數據進行解讀，從而自動控制無人機的俯仰、速度和軌跡。為了做到這一點，這些計算機要消耗10-30瓦的功率，由電池供電，電池對於黃蜂大小的無人機而言是很大的負荷。

現在，MIT的工程師們已經邁出了第一步，他們設計了一種計算機晶元，這種晶元使用大型無人機計算機的一小部分功能，專門為瓶蓋大小的無人機量身定製。他們將於本周在MIT舉行的「機器人：科學和系統會議」上提出一種新的方法和設計，他們稱之為「Navion」。

該團隊由Sertac Karaman和Vivienne Sze帶領，前者是MIT航空航天工程1948屆職業發展副教授，後者是MIT電氣工程和計算機科學學院副教授。他們開發了一種低功耗的演算法，同時精簡了硬體，創造了一種專門的計算機晶元。

他們工作的關鍵貢獻是提出了一種設計晶元硬體和在晶元上運行的演算法的新方法。Sze表示：「傳統上，一種演算法被設計出來就被扔給了硬體工程師，讓他想辦法把演算法映射到硬體上。但我們發現，通過把設計硬體和演算法相結合，我們可以實現更有效的節能。」

Karaman說：「我們發現，這種涉及到硬體和演算法協同思考的編程機器人的新方法是減小尺寸的關鍵。」

這種新型晶元以每秒20幀的速度處理流圖像，並自動執行命令來調整無人機在空間中的方向。新型晶元執行所有這些計算，同時功耗低於2瓦——這比目前的無人機嵌入式晶元的效率要高一個數量級。

Karaman說，團隊的設計是邁向「最小的智能無人機可以自主飛行」的第一步。他最終設想的是災難響應和搜救任務，在這些任務中，昆蟲大小的無人機會在狹窄的空間中穿梭，檢查坍塌的建築，搜尋被困的人。卡拉曼也預見到了它在消費電子產品方面的新用途。

Karaman說：「請設想，購買一款可以與你的手機結合的瓶蓋大小的無人機，你可以把它拿出來放在手掌上，你稍微抬起手，它就會感知到，並開始在你四周飛行，為你攝影。然後你再張開手掌，它就會落在你的手中，你可以將視頻上傳到手機上，並與他人分享。」

Amr Suleiman和Luca Carlone的合作者是研究所Amr Suleiman和Zhengdong Zhang，以及研究科學家Luca Carlone。

從頭開始

目前的小型無人機原型足夠小，可以放在一個人的指尖上，而且非常輕，只需要1瓦的電力就可以從地面起飛。相機和感測器則還需要0.5瓦。

Karaman說：「缺少的部分是計算機，我們不能讓它們適應這種大小和能耗。我們需要將計算機小型化，並降低其功耗。」

團隊很快意識到，傳統的晶元設計技術可能不會製造出足夠小的晶元，並提供小型智能無人機飛行所需要的處理能力。

Sze說：「隨著晶體管的規模越來越小，效率和速度都有了提升，但這種速度正在放緩，現在我們必須開發出專門的硬體來提高效率。」

研究人員決定從頭開始構建一個專門的晶元，開發數據處理演算法，以及用來運行這種演算法的硬體，幾項工作協同進行。

調整公式

具體而言，研究人員對現有的一種演算法進行了細微的改動，該演算法通常用於確定無人機的「自我運動」，或對其在空間中位置進行感知。然後，他們在一片FPGA上實現了不同版本的演算法，FPGA是一種非常簡單的可編程晶元。為了使這一過程正式化，他們開發了一種稱為迭代分裂協同設計的方法，可以在降低功耗和門數量的同時確保足夠的精確度。

典型的FPGA由數十萬個斷開的門組成，研究人員可以按照所需的模式進行連接，以創建專門的計算單元。通過協同設計減少門數，團隊選擇了一片門數極少的FPGA晶元，從而實現了高效的節能。

Karaman解釋說：「如果我們不需要某種特定的邏輯或存儲過程，我們就不會使用它們，這樣就能節省大量能量。」

每當研究人員調整自我運動演算法時，他們就把這個演算法版本映射到FPGA的門上，並將晶元連接到電路板上。然後，他們從標準無人機數據集里的數據輸入到晶元中，標準無人機數據集來自先前由其他人進行並提供在機器人社區中的無人機飛行實驗的流圖像和加速度計測量數據的累積。

Karaman說：「這些實驗也是在運動捕捉室里完成的，所以你精確地知道無人機的位置，我們在事後使用了所有這些信息。」

節省存儲

對於在FPGA晶元上實現的每個版本的演算法，研究人員觀察了晶元在處理輸入數據和估算空間位置時所消耗的電量，。

該團隊最有效的設計以每秒20幀的速度處理圖像，並準確地估算出無人機在空間中的方位，同時消耗低於2瓦的功率。

功率節省部分來自對於存儲在晶元中的內存數量的修改。Sze和她的同事發現，他們能夠減小演算法需要處理的數據量，同時仍然獲得相同的結果。因而晶元本身可以存儲更少的數據，消耗更少的電能。

Sze說：「在節能方面，存儲的代價非常巨大。因為我們要做動態計算，一旦我們收到任何晶元的數據，就要儘可能地進行處理，所以我們可以馬上扔掉它，這使得我們可以只使用晶元上極少量的存儲空間，無需訪問昂貴的片外存儲器。」

通過這種方式，團隊能夠將晶元的存儲容量減少到2MB，無需使用片外存儲器，而典型的無人機嵌入式計算機晶元使用幾GB的片外存儲器。

Sze說：「任意一種節能方式，都可以讓你減小電池的尺寸，或者延長電池壽命，這是更好的選擇。」

今年夏天，該團隊將把FPGA晶元安裝在無人機上，以測試它在飛行中的性能。最終，該團隊計劃在專用集成電路（ASIC）上實現優化演算法，ASIC是一種更專業的硬體平台，可讓工程師直接在晶元上設計特定類型的門。

Karaman說：「我們認為我們可以把功耗降低到幾百毫瓦，藉助這個平台，我們可以進行各種優化，這樣可以節省大量電能。」

這項研究得到了空軍科學研究處和國家科學基金會的部分支持。

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