Новый чип помогает миниатюрным дронам ориентироваться
Исследователи из MIT, которые в прошлом году разработали крошечный компьютерный чип, предназначенный для навигации Дронов размером с пчелу, теперь сократили свой чип еще больше, как по размеру, так и по энергопотреблению.
Команда, совместно возглавляемая Вивьенн ше, доцентом кафедры электротехники и компьютерных наук MIT (EECS), и Сертак Караман, доцента по развитию карьеры в области Аэронавтики и Астронавтики, построила полностью настроенный чип с нуля, с акцентом на снижение энергопотребления и размера, а также увеличение скорости обработки.
Новый компьютерный чип, названный "Navion", который они представляют на этой неделе на симпозиумах по технологии и схемам VLSI, составляет всего 20 квадратных миллиметров—размером с минифигурку LEGO—и потребляет всего 24 милливатта энергии, или около одной тысячи энергии, необходимой для питания лампочки.
Используя это крошечное количество энергии, чип способен обрабатывать в реальном времени изображения с камеры со скоростью до 171 кадра в секунду, а также инерционные измерения, оба из которых он использует для определения того, где он находится в пространстве. Исследователи говорят, что чип может быть интегрирован в" нанодроны " размером с ноготь, чтобы помочь транспортным средствам перемещаться, особенно в отдаленных или недоступных местах, где данные спутника глобального позиционирования недоступны.
Дизайн микросхемы можно также размещать на любых небольших роботе или приборе которому нужно работать длинными отрезками времени на ограниченном электропитании.
"Я могу представить, применяющие этот чип с низким энергопотреблением робототехники, как взмах крыла транспортных средств размером с ваш ноготь, или легче воздуха, как погодные воздушные шары, которые должны работать в течение нескольких месяцев на одной батарейке", - говорит Караман, который является членом лаборатории информация и решение систем и Институтом для данных систем, и общества в массачусетском технологическом институте.
"Или представьте себе медицинские устройства, такие как маленькая Таблетка, которую вы проглатываете, которая может разумно перемещаться по очень маленькой батарее, чтобы она не перегревалась в вашем теле. Чипы, которые мы строим, могут помочь со всем этим."
За последние несколько лет несколько исследовательских групп разработали миниатюрные дроны, достаточно маленькие,чтобы поместиться в ладони. Ученые предполагают, что такие крошечные транспортные средства могут летать и делать фотографии вашего окружения, как фотографы или геодезисты размером с комаров, прежде чем приземлиться обратно в вашу ладонь.
Но беспилотник размером с ладонь может нести только ограниченное количество энергии батареи, большая часть которой используется для того, чтобы заставить его двигатели летать, оставляя очень мало энергии для других важных операций, таких как навигация, и, в частности, оценка состояния, или способность робота определять, где он находится в космосе.
"В традиционной робототехнике мы берем существующие готовые компьютеры и реализуем на них алгоритмы, потому что нам обычно не нужно беспокоиться о потреблении энергии", - говорит Караман. "Но в каждом проекте, который требует от нас миниатюризации маломощных приложений, мы должны думать о проблемах программирования совсем по-другому."
В своей предыдущей работе исследователи начали решать такие проблемы путем объединения алгоритмов и оборудования в один чип. Их начальная конструкция была снабжена на программируемом блоке. Чип смог выполнить оценку состояния, используя 2 Вт мощности, по сравнению с более крупными стандартными дронами, которые обычно требуют от 10 до 30 Вт для выполнения тех же задач. Тем не менее, энергопотребление чипа было больше, чем общее количество энергии, которое обычно могут нести миниатюрные дроны, что, по оценкам исследователей, составляет около 100 милливатт.
Чтобы уменьшить чип дальше, как по размеру, так и по энергопотреблению, команда решила построить чип с нуля, а не реконфигурировать существующую конструкцию. "Это дало нам гораздо больше гибкости в дизайне чипа".
Для снижения энергопотребления чипа группа разработала конструкцию, позволяющую минимизировать объем данных—в виде изображений с камер и инерционных измерений-которые хранятся на чипе в любой момент времени. Дизайн также оптимизирует путь эти потоки данных.
"Любое из изображений, которые мы бы временно хранили на чипе, мы фактически сжимали, поэтому для этого требовалось меньше памяти". Команда также сократила количество посторонних операций, таких как вычисление нулей. Исследователи нашли способ пропустить эти вычислительные шаги, включающие любые нули в данных.
"Это позволило нам избежать необходимости обрабатывать и хранить все эти нули, поэтому мы можем вырезать много ненужных циклов хранения и вычисления, что уменьшает размер и мощность чипа и увеличивает скорость обработки чипа".
Благодаря их дизайну команда смогла уменьшить память чипа с предыдущих 2 мегабайт до примерно 0,8 мегабайта. Команда протестировала чип на ранее собранных наборах данных, созданных дронами, летающими через несколько сред, таких как офисные и складские помещения.
"Пока мы подгоняли чип для низкой мощности и высокоскоростной обработки, мы также сделали его достаточно гибким так, что он сможет приспособиться к этим различным окружающим средам для дополнительного сбережения энергии. "Главное-найти баланс между гибкостью и эффективностью."Чип также может быть перенастроен для поддержки различных камер и датчиков инерциального измерительного блока (IMU).
В ходе этих тестов исследователи обнаружили, что они смогли снизить энергопотребление чипа с 2 ватт до 24 милливатт, и что этого было достаточно, чтобы заставить чип обрабатывать изображения со скоростью 171 кадр в секунду—скорость, которая была даже быстрее, чем прогнозируемые наборы данных.
Команда планирует продемонстрировать свой дизайн, реализовав свой чип на миниатюрном гоночном автомобиле. В конце концов, команда планирует протестировать чип на реальном миниатюрном дроне.