小型化的无人机的大脑

近年来，工程师们一直在萎缩，无人机技术，建立飞行的原型是一只大黄蜂的大小和装载甚至更小的传感器和摄像头。到目前为止，他们已经几乎每一个部分无人机小型化，除了整个操作计算机芯片的大脑。

标准的计算机芯片quadcoptors和其他同样大小的无人机中的摄像头和传感器数据流的大量增加，并解释数据的飞行无人机自主直接的音高、速度、轨迹。为了做到这一点，这些计算机使用10到30瓦的功率，由电池供电，可以称量更小的蜜蜂大小的雄蜂。

现在，工程师在麻省理工学院有一个电脑芯片，采用较大的无人机的计算机电源的一部分，是专为无人机作为瓶盖的小设计迈出了第一步。他们将提出一个新的方法和设计，他们称之为“Navion，“在机器人：科学与系统会议，本周在麻省理工学院举行。

团队，在Sertac Karaman的带领下，1948职业发展副教授航空航天、麻省理工类和Vivienne Sze，在麻省理工学院的电气工程和计算机科学系的副教授，开发了一种低功耗算法，结合简化的硬件，创建一个专门的计算机芯片。

他们的工作的主要贡献是设计芯片硬件和芯片上运行的算法的一种新方法。“传统上，设计了一个算法，你把它交给一个硬件的人如何算法映射到硬件，”Sze说。“但我们发现，通过设计硬件和算法，我们可以获得更大的功耗。”

“我们发现，这种新的方法来编程的机器人，其中包括考虑硬件和算法的联合，关键是要缩小，”Karaman说。

新的芯片以每秒20帧的方式处理流图像，并自动执行调整无人飞行器在太空中的方位的指令。流线型芯片在使用低于2瓦的功率时执行所有这些计算，使其比目前的无人机嵌入式芯片效率高出一个数量级。

卡拉曼，说团队的设计是以工程“会飞的自己最小的智能无人驾驶的第一步。”他最终设想的灾难响应、搜索和救援任务，昆虫大小的无人机的进进出出，狭小空间检查倒塌的结构或寻找被困的人。Karaman还预计新的使用在消费电子。

“想象一下，买一个瓶盖大小的无人机，可以与手机结合，你可以拿出来，放在你的手心，”他说。“如果你举起一点手，它就会感觉到，然后开始飞来拍你。”。然后你再一次打开你的手，它会降落在你的手掌上，你可以上传这个视频到你的手机上，然后和其他人分享。

Karaman和他的共同作者的研究生郑东张和Amr Suleiman，以及研究科学家Luca Carlone。

从地上

目前minidrone原型是足够小，适合一个人的指尖，非常轻，只需要1瓦的功率来抬离地面。他们附带的照相机和传感器消耗了额外的半瓦特来操作。

“缺失的一块是电脑–我们不能适应他们的尺寸和功耗方面，”Karaman说。“我们需要小型化的电脑，让他们低功耗。”

该小组很快意识到，传统的芯片设计技术很可能不会产生一个足够小的芯片，并提供所需的处理能力来智能地驾驶小型无人驾驶飞机。

“随着晶体管变得更小，有效率和速度的改进，但慢下来了，现在我们要拿出专门的硬件来提高效率，”Sze说。

研究人员决定从地上建立一个专门的芯片，开发处理数据的算法，以及硬件来进行数据处理。

调整公式

具体来说，研究人员对现有的一种常用的算法进行了细微的改动，以确定无人飞行器的“自我运动”，或对其在空间中的位置的认识。然后他们在现场可编程门阵列（FPGA）上实现了各种算法，这是一种非常简单的可编程芯片。为了使这一过程正式化，他们开发了一种称为迭代分裂协同设计的方法，它可以在降低功耗和门数的同时达到实现精度的正确平衡。

一个典型的FPGA由成百上千个断开的门组成，研究人员可以在所希望的模式中连接，从而创建专门的计算元素。通过共同设计减少了盖茨的数量，使得团队选择了一个门数较少的FPGA芯片，从而节省了大量的电量。

“如果我们不需要一定的逻辑和记忆的过程中，我们不使用它们，而且可以节省大量的电力，”Karaman解释说。

每次研究人员调整自我运动算法时，他们都将这个版本映射到FPGA的大门上，并将芯片连接到电路板上。然后，他们从一个标准的无人驾驶飞机数据集中提取芯片数据，这是由以前的无人驾驶飞机飞行试验积累起来的流动图像和加速度计测量结果。

“这些实验也在运动捕捉的房间里进行的，所以你知道无人机，我们使用所有这些信息之后的事实，”Karaman说。

节省内存

对于在FPGA芯片上实现的每一种算法，研究人员观察到芯片在处理输入数据并估计其在空间中的位置时所消耗的功率。

该团队最高效的设计是每秒20帧处理图像，准确估计无人驾驶飞机在太空中的方位，同时消耗小于2瓦的功率。

节省功耗的部分原因是修改了存储在芯片中的内存量。Sze和她的同事们发现他们能够缩小，需要处理的数据量的算法，同时还实现了同样的结果。结果，芯片本身能够存储更少的数据和更少的电力。

“记忆的力量真的是很昂贵的，”Sze说。“因为我们在飞计算上，一旦我们接收到芯片上的任何数据，我们尽可能地做尽可能多的处理，这样我们就可以马上抛出它，这样我们就可以在芯片上保持非常小的内存，而不需要访问片外存储器，这要昂贵得多。”

这样的团队能够降低芯片的存储器存储2兆字节不使用片外存储器，相对于一个典型的嵌入式计算机芯片的无人机，它采用片外存储器在几兆字节的顺序。

“任何方式可以降低功率，可以减少电池的尺寸、延长电池的使用寿命，更好的，”Sze说。

今年夏天，该小组将把FPGA芯片安装到无人驾驶飞机上，以测试其飞行性能。最终，团队计划在一个特定于应用程序的集成电路（ASIC）上实现优化算法，这是一种更专业的硬件平台，允许工程师直接在芯片上设计特定类型的门。

“我们认为我们可以把它降到只有几百毫瓦，”Karaman说。“通过这个平台，我们可以进行各种各样的优化，这样可以节省大量的电力。”

这项研究得到了空军科学研究办公室和国家科学基金会的支持。