未來(lái)無(wú)人機(jī)可像指甲蓋一樣小 MIT研發(fā)微型芯片

據(jù)VentureBeat報(bào)道，得益于麻省理工學(xué)院(MIT)的研究，未來(lái)的無(wú)人機(jī)可能只有指甲蓋大小。

去年，麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)出一種微型計(jì)算機(jī)芯片，專為蜜蜂大小的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航。如今，該芯片設(shè)計(jì)在尺寸和功耗上都進(jìn)一步縮小，處理速度進(jìn)一步提高。該升級(jí)版芯片被命名為Navion，只有20平方毫米大小，僅僅消耗24毫瓦電能，約等于燈泡供電所需能量的千分之一。

Navion可以集成到指甲一樣小的無(wú)人機(jī)中，僅靠一個(gè)電池便能夠工作幾個(gè)月。(圖片來(lái)源：MIT News)

利用微量的功率，該芯片能夠以高達(dá)每秒171幀的速度處理實(shí)時(shí)相機(jī)圖像以及慣性測(cè)量，這兩種方法都可以用來(lái)確定它在空中的位置，這比大疆精靈3的圖像處理速度快5.7倍。研究人員說(shuō)，該芯片可以集成到指甲大小的“nanodrones”中，在遠(yuǎn)程或難以進(jìn)入的地方，全球定位衛(wèi)星數(shù)據(jù)不可用的時(shí)候幫助導(dǎo)航。

該小組由麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)副教授Vivienne Sze和1948級(jí)航空航天學(xué)職業(yè)發(fā)展副教授Sertac Karaman共同領(lǐng)導(dǎo)，從頭開(kāi)始構(gòu)建一個(gè)完全定制的芯片，重點(diǎn)是減少功耗和尺寸，同時(shí)提高處理速度。

團(tuán)隊(duì)成員(圖片來(lái)源：twitter@ EEMS Group @ MIT (PI: Vivienne Sze)

這并不是該團(tuán)隊(duì)參加的第一場(chǎng)微型芯片競(jìng)賽。去年，該團(tuán)隊(duì)使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)開(kāi)發(fā)了一種無(wú)人機(jī)控制芯片，該芯片能夠使用2瓦的功率執(zhí)行狀態(tài)估計(jì)，而較大的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)人機(jī)通常需要10至30瓦來(lái)執(zhí)行相同的任務(wù)。盡管如此，該芯片的功耗仍然高于微型無(wú)人機(jī)通常能夠承載的功耗總量，研究人員估計(jì)其功耗約為100毫瓦。

Sertac Karaman表示;“在傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)中，我們使用現(xiàn)現(xiàn)成計(jì)算機(jī)，并在它們上面部署(狀態(tài)估計(jì))算法，因?yàn)槲覀兺ǔ２槐負(fù)?dān)心功耗。但在每一個(gè)需要我們縮小低功耗應(yīng)用的項(xiàng)目中，我們必須以一種截然不同的方式考慮編程面臨的挑戰(zhàn)。”

為了進(jìn)一步縮小芯片尺寸和功耗，該團(tuán)隊(duì)決定從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)芯片，而不是重新配置現(xiàn)有設(shè)計(jì)。他們找到了一種方法，可以將任何時(shí)間存儲(chǔ)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)量最小化，將芯片的功耗降低到24毫瓦，并將其內(nèi)存大小從之前的2MB降低到0.8MB。該團(tuán)隊(duì)在先前收集的無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集上對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試，這些無(wú)人機(jī)在多種環(huán)境中飛行，如辦公室和倉(cāng)庫(kù)式空間。

麻省理工學(xué)院研究人員設(shè)計(jì)的微型無(wú)人機(jī)芯片Navion(圖片來(lái)源：twitter@ EEMS Group @ MIT (PI: Vivienne Sze))

“任何我們暫時(shí)存儲(chǔ)在芯片上的圖像，實(shí)際上都是壓縮的，所以它需要更少的內(nèi)存，”麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的成員Sze說(shuō)。該團(tuán)隊(duì)還減少了無(wú)關(guān)的操作，例如計(jì)算零點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致零點(diǎn)。研究人員找到了一種方法來(lái)跳過(guò)涉及數(shù)據(jù)中任何零的計(jì)算步驟。“這讓我們避免了必須處理和存儲(chǔ)所有這些零，因此我們可以減少大量不必要的存儲(chǔ)和計(jì)算周期，從而降低芯片尺寸和功耗，并提高芯片的處理速度。”

Sze說(shuō)，“雖然我們?yōu)榈凸暮透咚偬幚淼奶匦远ㄖ屏诵酒?，但我們也使其具有足夠的靈活性，以便它能夠適應(yīng)這些不同的環(huán)境，進(jìn)一步節(jié)約能源，關(guān)鍵是在靈活性和效率之間找到平衡。”該芯片還可以重新配置，以支持不同的攝像機(jī)和慣性測(cè)量單元(IMU)傳感器。

但是，這種芯片目前還不適合小型無(wú)人機(jī)使用。該團(tuán)隊(duì)的概念驗(yàn)證將是一輛小型賽車，該車配有車載攝像頭，可以實(shí)時(shí)播放視頻。接下來(lái)，它計(jì)劃把它打造成真正的無(wú)人機(jī)。

Karaman表示：“我可以想象把這個(gè)芯片應(yīng)用到低能耗機(jī)器人上，比如指甲大小的機(jī)翼飛行器，或者像氣象氣球這樣的比空氣輕的飛行器，它們需要使用電池才能運(yùn)行數(shù)月。這種芯片也可用于醫(yī)療設(shè)備中，比如你吞下的小藥丸，它使用非常小的電池以智能方式導(dǎo)航，這樣它就不會(huì)在你的身體里過(guò)熱。我們正在打造的芯片可以幫助解決所有這些問(wèn)題。”

在過(guò)去的幾年中，多個(gè)研究小組設(shè)計(jì)出的小型無(wú)人機(jī)足夠小，可以放在手掌中?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)想，這樣的小型車輛可以四處飛行，并拍攝周圍環(huán)境的照片，例如蚊子大小的攝影師或測(cè)量員，然后降落在手掌中，然后輕松存放。

但是，一架手掌大小的無(wú)人機(jī)只能攜帶不多的電池能量，其中大部分是用來(lái)為它的馬達(dá)提供的的，幾乎沒(méi)有為其他基本操作提供能量，比如導(dǎo)航，特別是狀態(tài)評(píng)估，或者能夠確定它在空中的位置。

有了這種芯片，更智能、更小、運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)的無(wú)人機(jī)可能即將問(wèn)世。去年，研究人員設(shè)計(jì)了一種小到足以驅(qū)動(dòng)“納米無(wú)人機(jī)”或其他蜜蜂大小的無(wú)人機(jī)的計(jì)算機(jī)芯片。今年的版本更小更強(qiáng)大。

微型無(wú)人機(jī)可以使用這種芯片來(lái)幫助導(dǎo)航，特別是在偏遠(yuǎn)或無(wú)法進(jìn)入的地方。需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的小型機(jī)器人或設(shè)備也可以從這種芯片的節(jié)能特性中獲益。

研究人員本周將在VLSI技術(shù)和電路研討會(huì)上展示這種芯片，這是一個(gè)世界頂尖技術(shù)專家交流想法的會(huì)議。