MIT研發微型低功耗晶元，可打造指甲蓋大小無人機

據VentureBeat報道，得益於麻省理工學院(MIT)的研究，未來的無人機可能只有指甲蓋大小。

去年，麻省理工學院的研究人員設計出一種微型計算機晶元，專為蜜蜂大小的無人機導航。如今，該晶元設計在尺寸和功耗上都進一步縮小，處理速度進一步提高。該升級版晶元被命名為Navion，只有20平方毫米大小，僅僅消耗24毫瓦電能，約等於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人機中，僅靠一個電池便能夠工作幾個月。（圖片來源：MIT News）

利用微量的功率，該晶元能夠以高達每秒171幀的速度處理實時相機圖像以及慣性測量，這兩種方法都可以用來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，該晶元可以集成到指甲大小的「nanodrones」中，在遠程或難以進入的地方，全球定位衛星數據不可用的時候幫助導航。

該小組由麻省理工學院電氣工程與計算機科學系（EECS）副教授Vivienne Sze和1948級航空航天學職業發展副教授Sertac Karaman共同領導，從頭開始構建一個完全定製的晶元，重點是減少功耗和尺寸，同時提高處理速度。

團隊成員（圖片來源：twitter@ EEMS Group @ MIT (PI: Vivienne Sze)

這並不是該團隊參加的第一場微型晶元競賽。去年，該團隊使用現場可編程門陣列(FPGA)開發了一種無人機控制晶元，該晶元能夠使用2瓦的功率執行狀態估計，而較大的標準無人機通常需要10至30瓦來執行相同的任務。儘管如此，該晶元的功耗仍然高於微型無人機通常能夠承載的功耗總量，研究人員估計其功耗約為100毫瓦。

Sertac Karaman表示;「在傳統的機器人技術中，我們使用現現成計算機，並在它們上面部署(狀態估計)演算法，因為我們通常不必擔心功耗。但在每一個需要我們縮小低功耗應用的項目中，我們必須以一種截然不同的方式考慮編程面臨的挑戰。」

為了進一步縮小晶元尺寸和功耗，該團隊決定從頭開始開發晶元，而不是重新配置現有設計。他們找到了一種方法，可以將任何時間存儲在內存中的數據量最小化，將晶元的功耗降低到24毫瓦，並將其內存大小從之前的2MB降低到0.8MB。該團隊在先前收集的無人機產生的數據集上對晶元進行測試，這些無人機在多種環境中飛行，如辦公室和倉庫式空間。

麻省理工學院研究人員設計的微型無人機晶元Navion（圖片來源：twitter@ EEMS Group @ MIT (PI: Vivienne Sze)）

「任何我們暫時存儲在晶元上的圖像，實際上都是壓縮的，所以它需要更少的內存，」麻省理工學院電子研究實驗室的成員Sze說。該團隊還減少了無關的操作，例如計算零點，這會導致零點。研究人員找到了一種方法來跳過涉及數據中任何零的計算步驟。「這讓我們避免了必須處理和存儲所有這些零，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功耗，並提高晶元的處理速度。」

Sze說，「雖然我們為低功耗和高速處理的特性定製了晶元，但我們也使其具有足夠的靈活性，以便它能夠適應這些不同的環境，進一步節約能源，關鍵是在靈活性和效率之間找到平衡。」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。

但是，這種晶元目前還不適合小型無人機使用。該團隊的概念驗證將是一輛小型賽車，該車配有車載攝像頭，可以實時播放視頻。接下來，它計劃把它打造成真正的無人機。

Karaman表示：「我可以想像把這個晶元應用到低能耗機器人上，比如指甲大小的機翼飛行器，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行數月。這種晶元也可用於醫療設備中，比如你吞下的小藥丸，它使用非常小的電池以智能方式導航，這樣它就不會在你的身體里過熱。我們正在打造的晶元可以幫助解決所有這些問題。」

在過去的幾年中，多個研究小組設計出的小型無人機足夠小，可以放在手掌中。科學家們設想，這樣的小型車輛可以四處飛行，並拍攝周圍環境的照片，例如蚊子大小的攝影師或測量員，然後降落在手掌中，然後輕鬆存放。

但是，一架手掌大小的無人機只能攜帶不多的電池能量，其中大部分是用來為它的馬達提供的的，幾乎沒有為其他基本操作提供能量，比如導航，特別是狀態評估，或者能夠確定它在空中的位置。

有了這種晶元，更智能、更小、運行時間更長的無人機可能即將問世。去年，研究人員設計了一種小到足以驅動「納米無人機」或其他蜜蜂大小的無人機的計算機晶元。今年的版本更小更強大。

微型無人機可以使用這種晶元來幫助導航，特別是在偏遠或無法進入的地方。需要長時間運行的小型機器人或設備也可以從這種晶元的節能特性中獲益。

研究人員本周將在VLSI技術和電路研討會上展示這種晶元，這是一個世界頂尖技術專家交流想法的會議。

（圖片來源：twitter@ EEMS Group @ MIT (PI: Vivienne Sze)

本文綜合自麻省理工科技評論、Aitechyun、Techweb報道

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