MIT研發最新微型無人機導航晶元，耗能僅有普通燈泡的千分之一

麻省理工學院的研究人員們在去年設計了一款微型晶元，專門用於幫助微型無人機導航——如今，他們的晶元經歷了一次升級，不僅變得更小，耗能也大幅減少。

該團隊由 MIT 電氣工程與計算機科學（EECS）系助理教授 Vivienne Sze 和航空與航天系助理教授 Sertac Karaman 共同領導。他們從頭開始定製了這一枚能耗低、體積小，同時提升了處理速度的晶元。

這枚新的晶元被取名為「Navion」，僅有 20 平方毫米大小，大概和樂高人偶的腳印差不多大。它耗能僅 24 毫瓦，幾乎只有普通燈泡耗能的千分之一。

儘管 Navion 的耗能極小，但它能夠處理每秒 171 幀的實時圖像，並進行慣性測量，這兩種測量都被用於確定其自身在空中的位置。研究人員說，該晶元可以集成到指甲大小的「微型無人機」中，以幫助無人機進行導航，尤其是在全球定位衛星數據不可用的偏遠、無人地帶。

這種晶元也可以被用於需要長時間導航，但能量存儲有限的小型機器人或其它機械設備。

「我能想像將這種晶元被應用於依靠一塊電池運行數月的低能量機器人，比如指甲般大小的撲翼飛行器，或者像氣象氣球那樣輕於空氣的設備。」麻省理工信息和決策系統實驗室及數據、系統和社會研究所的成員 Karaman 說道，「或者想像一下它在醫療設備上的應用場景，比如你吞下了一枚小藥片，它可以依靠非常小的電池以智能導航，從而不會在你的體內引起過熱。我們正在研發的晶元將會在這些領域大有作用。」

靈活的晶元

在過去幾年裡，不少研究團隊都設計製造了僅有手掌大小的微型無人機。科學家們設想，這樣的小型無人機可以四處飛行並拍攝周圍環境的照片。完成任務後，無人機可以回到使用者的手掌中，並且很容易被儲存起來。

不過，一個手掌大小的無人機所能搭載的電池非常有限，並且大部分電能都不得不被用於電機工作。除此之外，僅有非常少的電能被用於其它基本操作，比如導航或狀態估計，也就是確定其本身在空中的位置，

「在傳統的機器人技術中，我們會使用一台現成的計算機並在其上面實現（狀態估計）演算法，因為我們通常不必擔心能量限制。」Karaman 解釋道，「但是在每一個需要將低能耗應用小型化的項目中，我們都必須以一種完全不同的方式來思考編程設計中所面臨的挑戰。」

在 Sze 和 Karaman 此前的研究中，他們已經嘗試將演算法和硬體結合在他們設計的晶元中，從而試圖解決這一問題。他們的初始設計利用了 FPGA，也就是一種可以根據應用進行配置的商用硬體平台。在這種情況下，晶元能夠在 2 瓦特功率下進行自身狀態估計，在大型無人機所需的 10-30 瓦特基礎上降低了很多。儘管如此，2 瓦特的能耗依舊大於普通微型無人機所能搭載的電池功率——一般的微型無人機電池功率僅有 100 毫瓦左右。

為了讓晶元更小、耗能更少，麻省理工學院的研究者們決定從頭開始設計一款新的晶元，而不是改進現有的設計。Sze 評價說：「這樣的話，我們在設計晶元的過程中有了更大的靈活性。」

在世界中大展身手

為了減少晶元的能耗，研究團隊的新設計中儘可能減少了任何給定時間內晶元中存儲的數據量，包括存儲的圖像與慣性測量數據。新設計也優化了數據在晶元中的路徑。

「我們會壓縮任何需要臨時存儲在晶元上的圖像，因此它就能少佔用一些空間。」Sze 說。Sze 領導的麻省理工學院電子研究實驗室（the Research Laboratory of Electronics）團隊也減少了晶元中不必要的操作，例如一些和零相關、結果為零的運算——研究人員們找到了一種方法，能夠跳過任何涉及零的計算。Sze 評價說：「這能讓我們避免處理和存儲這些零，因此我們可以減少大量不必要的存儲和計算周期，從而降低晶元尺寸和能耗，並提高晶元的處理速度。」

通過這一最新的設計，研究者們將晶元的存儲空間從 2MB 降低到了約 0.8MB。研究者們使用之前在不同環境下（例如工作場所、倉庫等）收集的無人機飛行資料庫對新的晶元進行了測試。

「我們不僅讓晶元的能耗更少、運算速度更快，我們同時讓它能夠靈活地適應不同環境，從而進一步節約能源。」Sze 說，「關鍵在於尋找『靈活』和『高效』的平衡點。」該晶元還可以重新配置，以支持不同的攝像機和慣性測量單元（IMU）感測器。

通過測試，研究者們發現他們能將晶元的能耗從此前的 2 瓦特降低到 24 毫瓦。24 毫瓦能支持晶元處理每秒 171 幀的圖像——這一效率比收集資料庫時無人機的效率還要高。

研究者們計劃讓一輛微型賽車搭載晶元，從而進行對這一新設計的展示。他們希望由一個屏幕顯示車載攝像頭的實時視頻，同時顯示晶元計算出的空中的位置，以及這項任務的耗能功率。此後，該團隊計劃在一架真正的無人機上測試該晶元，並最終在微型無人機上進行測試。

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