Chipopgradering hjælper miniaturedroner med at navigere

Forskere ved MIT, som sidste år designede en lille computerchip, der var skræddersyet til at hjælpe droner på størrelse med honningbi med at navigere, har nu krympet deres chipdesign endnu mere, i både størrelse og strømforbrug.

Holdet, ledet af Vivienne Sze, lektor i MIT's Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS), og Sertac Karaman, klasse af 1948 karriereudvikling lektor i luftfart og astronautik, bygget en fuldt tilpasset chip fra bunden, med fokus på at reducere strømforbruget og størrelsen og samtidig øge behandlingshastigheden.

Den nye computerchip, kaldet "Navion, "som de præsenterer i denne uge på Symposia on VLSI Technology and Circuits, er kun 20 kvadratmillimeter – på størrelse med en LEGO minifigurs fodaftryk – og bruger kun 24 milliwatt strøm, eller omkring en tusindedel af den energi, der kræves for at drive en pære.

Ved at bruge denne lille mængde strøm, chippen er i stand til at behandle kamerabilleder i realtid med op til 171 billeder i sekundet, samt inertimålinger, begge som den bruger til at bestemme, hvor den er i rummet. Forskerne siger, at chippen kan integreres i "nanodroner" så små som en fingernegl, at hjælpe køretøjerne med at navigere, især på fjerntliggende eller utilgængelige steder, hvor satellitdata for global positionering ikke er tilgængelige.

Chipdesignet kan også køres på enhver lille robot eller enhed, der skal navigere over lange stræk af tid på en begrænset strømforsyning.

"Jeg kan forestille mig at anvende denne chip til lavenergirobotik, som biler med flagrende vinge på størrelse med din negl, eller lettere end luftfartøjer som vejrballoner, der skal gå i flere måneder på ét batteri, " siger Karaman, som er medlem af Laboratoriet for Informations- og Beslutningssystemer og Instituttet for Data, Systemer, og samfund på MIT. "Eller forestil dig medicinsk udstyr som en lille pille, du sluger, der kan navigere på en intelligent måde på meget lidt batteri, så den ikke overophedes i din krop. De chips, vi bygger, kan hjælpe med alle disse."

Sze og Karamans medforfattere er EECS kandidatstuderende Amr Suleiman, hvem er hovedforfatteren; EECS kandidatstuderende Zhengdong Zhang; og Luca Carlone, som var forsker under projektet og nu er adjunkt i MIT's Institut for Luftfart og Astronautik.

En fleksibel chip

I de seneste år, flere forskergrupper har konstrueret miniaturedroner, der er små nok til at passe i din håndflade. Forskere forestiller sig, at sådanne små køretøjer kan flyve rundt og tage billeder af dine omgivelser, som fotografer eller landmålere på størrelse med myg, før du lander tilbage i din håndflade, hvor de så nemt kan gemmes væk.

Men en drone på størrelse med håndfladen kan kun bære så meget batteristrøm, hvoraf det meste bruges til at få dets motorer til at flyve, efterlader meget lidt energi til andre væsentlige operationer, såsom navigation, og, i særdeleshed, statsestimat, eller en robots evne til at bestemme, hvor den er i rummet.

"I traditionel robotteknologi, vi tager eksisterende hyldecomputere og implementerer [statsestimat]-algoritmer på dem, fordi vi normalt ikke behøver at bekymre os om strømforbruget, " siger Karaman. "Men i ethvert projekt, der kræver, at vi miniaturiserer lavenergiapplikationer, nu skal vi tænke på udfordringerne ved programmering på en helt anden måde."

I deres tidligere arbejde, Sze og Karaman begyndte at løse sådanne problemer ved at kombinere algoritmer og hardware i en enkelt chip. Deres oprindelige design blev implementeret på et feltprogrammerbart gate-array, eller FPGA, en kommerciel hardwareplatform, der kan konfigureres til en given applikation. Chippen var i stand til at udføre tilstandsestimat ved brug af 2 watt strøm, sammenlignet med større, standarddroner, der typisk kræver 10 til 30 watt for at udføre de samme opgaver. Stadig, chippens strømforbrug var større end den samlede mængde strøm, som miniaturedroner typisk kan bære, som forskere vurderer til at være omkring 100 milliwatt.

For at krympe chippen yderligere, i både størrelse og strømforbrug, holdet besluttede at bygge en chip fra bunden i stedet for at omkonfigurere et eksisterende design. "Dette gav os meget mere fleksibilitet i designet af chippen, " siger Sze.

Løber i verden

For at reducere chippens strømforbrug, gruppen fandt på et design til at minimere mængden af ​​data – i form af kamerabilleder og inertimålinger – der er lagret på chippen til enhver tid. Designet optimerer også den måde, hvorpå disse data flyder hen over chippen.

"Enhver af de billeder, vi ville have midlertidigt gemt på chippen, vi komprimerede faktisk, så det krævede mindre hukommelse, " siger Sze, som er medlem af Research Laboratory of Electronics ved MIT. Holdet skærer også ned på uvedkommende operationer, såsom beregning af nuller, hvilket resulterer i et nul. Forskerne fandt en måde at springe disse beregningstrin over, der involverer nuller i dataene. "Dette gjorde det muligt for os at undgå at skulle behandle og gemme alle disse nuller, så vi kan skære en masse unødvendige lager- og beregningscyklusser ud, hvilket reducerer chipstørrelsen og kraften, og øger chippens behandlingshastighed, " siger Sze.

Gennem deres design, holdet var i stand til at reducere chippens hukommelse fra dens tidligere 2 megabyte, til omkring 0,8 megabyte. Holdet testede chippen på tidligere indsamlede datasæt genereret af droner, der flyver gennem flere miljøer, såsom kontor- og lagerlokaler.

"Mens vi tilpassede chippen til lav effekt og højhastighedsbehandling, vi har også gjort det tilstrækkeligt fleksibelt, så det kan tilpasse sig disse forskellige miljøer for yderligere energibesparelser, " Sze siger. "Nøglen er at finde balancen mellem fleksibilitet og effektivitet." Chippen kan også omkonfigureres til at understøtte forskellige kameraer og inertial måleenhed (IMU) sensorer.

Fra disse tests, forskerne fandt ud af, at de var i stand til at nedbringe chippens strømforbrug fra 2 watt til 24 milliwatt, og at dette var nok til at drive chippen til at behandle billeder med 171 billeder i sekundet - en hastighed, der var endnu hurtigere end hvad datasættene projekterede.

Holdet planlægger at demonstrere sit design ved at implementere sin chip på en miniature racerbil. Mens en skærm viser et indbygget kameras livevideo, forskerne håber også at vise chippen, der bestemmer, hvor den er i rummet, i realtid, samt mængden af ​​strøm, som den bruger til at udføre denne opgave. Til sidst, holdet planlægger at teste chippen på en egentlig drone, og i sidste ende på en miniature drone.