近日，美国麻省理工学院通过协同设计无人机计算机芯片硬件及软件方法，将迷你无人机计算机芯片的功耗降低至2瓦，将能够降低无人机尺寸，延长电池寿命。该研究受到了美国空军科学研究办公室和国家科学基金的支持。

▍研究背景

近年来，工程师们一直在研究缩小无人机技术，制造大黄蜂大小（机长23毫米）的飞机原型，携带更小的传感器和摄像头。到目前为止，除整个无人机的大脑——计算机芯片外，几乎所有部件都被工程师们小型化了。

四旋翼和其他相似尺寸无人机的标准计算机芯片能够实时处理相机和传感器的大量数据流，并能将数据直接用于自主控制无人机的倾斜、速度和轨迹。为此，这些计算机功耗一般为10-30瓦，由电池供电，电池重量相当于蜜蜂大小的无人机。

▍协同设计方法

目前，美国麻省理工学院（MIT）的工程师们提出了一种新的理论和设计方法，称为“Navion”，利用这种方法为无人机设计了一款计算机芯片，用于瓶盖大小的无人机，功耗远小于大黄蜂大小无人机的计算机芯片。

该团队领导者是Sertac Karaman与Vivienne Sze，Karaman是航空航天系副教授，Sze是MIT电气工程和计算机科学系副教授。该团队开发了一种低功耗算法，结合简化的硬件，开发了一种专门的计算机芯片。

该研究的主要贡献是芯片硬件设计方法和芯片运行的算法方面的创新。Sze表示，“传统的算法设计方法是设计人员将设计好的算法丢给硬件人员，让其将算法映射到硬件上。但我们发现，将硬件设计和算法相结合能够节省许多功耗。”

新的芯片能够以每秒20帧的速度处理流图像，并自动执行调整无人机在空中的方位指令。该芯片执行所有这些计算所用功耗低于2瓦，比目前的无人机嵌入式芯片效率高一个数量级。

▍设计方法——从底层设计开始

目前的迷你无人机模型已小到能够停在人的指尖上，且足够轻，只需1瓦的功率就能从地面起飞。该无人机所携带的照相机和传感器只需额外的0.5瓦功率即可工作。

Karaman表示，“迷你无人机的计算机芯片尺寸和功耗还不够低，我们需要缩小它的尺寸，并降低功耗。”

研究团队意识到，传统的芯片设计技术无法做到足够小且能够满足小型自主智能无人机的功耗要求。

Sze表示，“随着晶体管尺寸的缩小，计算机的效率和速度都在提升，但这还不够，我们需要专门的硬件来提高效率。”

研究人员决定设计专门芯片并为之开发数据处理算法，用于芯片数据的处理。

▍设计方法——软硬件设计调整

研究人员对现有的一种用于无人机“自主运动”或感知空中位置的常用算法进行了细微改动，然后在现场可编程门阵列（FPGA）上实现了多个版本的算法。为了形成这个过程，他们开发了一种称为迭代分裂协同设计的方法，可以在降低功耗和门数的同时达到一定精确度。

Karaman解释说，“如果我们不需要一个确定的逻辑或存储过程，就能降低许多功耗。”

研究人员每次调整无人机自主运动算法时都用FPGA验证，并将FPGA芯片连到电路板上，然后将标准的无人机数据指令输入给该芯片，进行验证。这些数据是由以前的无人机飞行试验积累的流图像和加速度计测量结果积累而来。

▍设计方法——节省内存

对于在FPGA上实现的每一种算法，研究人员都观察芯片在处理输入数据和估计其在空中的位置时所消耗的功率。

该团队设计的算法中效率最高达到每秒处理20帧图像，并准确估计了无人机在空中的位置，整个过程的功耗小于2瓦。

节省功耗的部分原因是芯片中内存的大小。Sze及其同事发现，能够缩小算法处理过程所需的数据量，且能够达到同样的处理效果。结果就可以缩小计算机芯片的存储空间，降低功耗。

Sze表示，“内存功耗非常大。由于我们进行实时计算，在计算机芯片接收到数据时尽可能快的处理数据，这样芯片就不需要访问片外存储器，会大大降低功耗。”

采用这种方法，团队将计算机芯片的存储容量降低到2Mb，且不需要使用片外存储。与当前无人机使用的需片外存储的嵌入式计算机芯片相比，存储容量需求降低了几Gb。

Sze表示，“这种方法降低了芯片功耗，也即可以减小电池尺寸，或者延长电池寿命。”

▍应用前景

Karaman表示，“这种设计方法是向‘最小尺寸的自主飞行智能无人机’迈出的第一步。”这种无人机可应用到灾难相应、搜索和救援任务等，需要昆虫大小的无人机进出狭小空间。Karaman还预计，这种技术能够用在消费电子领域。

Karaman表示，“想象一下，一个瓶盖大小的无人机与手机连接，能够放置于掌上，你的手举起一点它就会感觉到，然后开始围着你飞，为你拍摄视频。然后你再次张开手，它就能够停在你手上，然后你就可以将这段视频上传到手机中，并与其他人分享。”

▍研究计划

今年夏天，该团队将采用FPGA进行无人机飞行性能测试，最终将采用专用集成电路（ASIC）来实现这种优化的算法。

（本文来源微信公众号：大国重器—聚焦世界军用电子元器件；）

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