Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu tương tự, người năm ngoái đã thiết kế một con chip máy tính nhỏ được điều chỉnh để giúp máy bay không người lái có kích thước ong, giờ đây đã thu hẹp thiết kế chip của họ hơn nữa, cả về kích thước và mức tiêu thụ điện năng.
Nhóm nghiên cứu, do Vivienne Sze, phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính (EECS) của MIT, và Sertac Karaman, Phó Giáo sư Phát triển Nghề nghiệp và Hàng không năm 1948, xây dựng một con chip tùy chỉnh hoàn toàn từ mặt đất lên, với trọng tâm là giảm mức tiêu thụ điện năng và kích thước đồng thời tăng tốc độ xử lý.
Con chip máy tính mới, được đặt tên là “Navion”, mà chúng sẽ trình bày trong tuần này tại Hội nghị chuyên đề về Công nghệ và Mạch điện tử, chỉ rộng 20 milimet – có kích thước bằng dấu chân của LEGO – và tiêu thụ chỉ 24 milliwatts, hoặc khoảng một phần nghìn năng lượng cần thiết để cung cấp năng lượng cho bóng đèn.
Sử dụng lượng năng lượng nhỏ bé này, chip có thể xử lý hình ảnh camera thời gian thực với tốc độ lên tới 171 khung hình / giây, cũng như các phép đo quán tính, cả hai đều sử dụng để xác định vị trí của nó trong không gian. Các nhà nghiên cứu cho biết con chip này có thể được tích hợp vào “nanodrones” nhỏ như móng tay, để giúp các phương tiện di chuyển, đặc biệt là ở những nơi xa hoặc không thể tiếp cận, nơi không có dữ liệu vệ tinh định vị toàn cầu.
Thiết kế chip cũng có thể chạy trên bất kỳ robot hoặc thiết bị nhỏ nào cần điều hướng trong thời gian dài trên nguồn cung cấp điện hạn chế.
Karaman, người đã nói: “Tôi có thể tưởng tượng việc áp dụng con chip này cho robot năng lượng thấp, như những chiếc xe cánh có kích thước bằng móng tay của bạn, hoặc những chiếc xe nhẹ hơn không khí như bóng bay thời tiết, phải đi hàng tháng trời bằng một cục pin”. là thành viên của Phòng thí nghiệm Hệ thống Thông tin và Quyết định và Viện Dữ liệu, Hệ thống và Xã hội tại MIT. “Hoặc tưởng tượng các thiết bị y tế như một viên thuốc nhỏ bạn nuốt, có thể điều hướng một cách thông minh với rất ít pin để nó không bị quá nóng trong cơ thể bạn. Những con chip chúng tôi đang chế tạo có thể giúp đỡ tất cả những thứ này.”
Đồng tác giả của Sze và Karaman là sinh viên tốt nghiệp EECS Amr Suleiman, tác giả chính; Sinh viên tốt nghiệp EECS Trịnh Đông Zhang; và Luca Carlone, một nhà khoa học nghiên cứu trong dự án và hiện là trợ lý giáo sư tại Khoa Hàng không và Du hành vũ trụ của MIT.
Trong vài năm qua, nhiều nhóm nghiên cứu đã chế tạo máy bay không người lái thu nhỏ đủ nhỏ để nằm gọn trong lòng bàn tay của bạn. Các nhà khoa học hình dung rằng những chiếc xe nhỏ bé như vậy có thể bay xung quanh và chụp ảnh môi trường xung quanh bạn, như các nhiếp ảnh gia hoặc nhà khảo sát cỡ muỗi, trước khi quay trở lại trong lòng bàn tay của bạn, nơi chúng có thể dễ dàng cất giữ.
Nhưng một máy bay không người lái cỡ lòng bàn tay chỉ có thể mang nhiều năng lượng pin, phần lớn được sử dụng để làm cho động cơ của nó bay, để lại rất ít năng lượng cho các hoạt động thiết yếu khác, như điều hướng, và đặc biệt là ước tính trạng thái hoặc khả năng của robot để xác định vị trí của nó trong không gian.
“Trong chế tạo robot truyền thống, chúng tôi sử dụng các máy tính sẵn có và thực hiện các thuật toán [ước tính trạng thái] trên chúng, bởi vì chúng tôi thường không phải lo lắng về mức tiêu thụ điện năng”, Karaman nói. “Nhưng trong mọi dự án đòi hỏi chúng tôi phải thu nhỏ các ứng dụng năng lượng thấp, giờ chúng tôi phải nghĩ về những thách thức của lập trình theo một cách rất khác.”
Trong công việc trước đây, Sze và Karaman bắt đầu giải quyết các vấn đề như vậy bằng cách kết hợp các thuật toán và phần cứng trong một con chip. Thiết kế ban đầu của họ đã được triển khai trên một mảng cổng có thể lập trình trường, hoặc FPGA, một nền tảng phần cứng thương mại có thể được cấu hình cho một ứng dụng nhất định. Con chip này có thể thực hiện ước tính trạng thái bằng cách sử dụng 2 watt năng lượng, so với các máy bay không người lái tiêu chuẩn lớn hơn thường đòi hỏi 10 đến 30 watt để thực hiện các nhiệm vụ tương tự. Tuy nhiên, mức tiêu thụ năng lượng của chip lớn hơn tổng lượng năng lượng mà máy bay không người lái thu nhỏ thường có thể mang theo, mà các nhà nghiên cứu ước tính là khoảng 100 milliwatts.
Để thu nhỏ chip hơn nữa, cả về kích thước và mức tiêu thụ điện năng, nhóm nghiên cứu đã quyết định xây dựng một con chip từ đầu thay vì cấu hình lại một thiết kế hiện có. “Điều này đã cho chúng tôi linh hoạt hơn rất nhiều trong việc thiết kế chip”, Sze nói.
Để giảm mức tiêu thụ năng lượng của chip, nhóm đã đưa ra một thiết kế để giảm thiểu lượng dữ liệu – dưới dạng hình ảnh camera và các phép đo quán tính – được lưu trữ trên chip tại bất kỳ thời điểm nào. Thiết kế cũng tối ưu hóa cách dữ liệu này chảy qua chip.
Sze, một thành viên của Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử tại MIT cho biết: “Bất kỳ hình ảnh nào chúng tôi sẽ tạm thời lưu trữ trên chip, chúng tôi thực sự đã nén để nó cần ít bộ nhớ hơn”. Nhóm nghiên cứu cũng cắt giảm các hoạt động ngoại lai, chẳng hạn như tính toán các số không, kết quả bằng 0. Các nhà nghiên cứu tìm thấy một cách để bỏ qua các bước tính toán liên quan đến bất kỳ số không nào trong dữ liệu. “Điều này cho phép chúng tôi tránh phải xử lý và lưu trữ tất cả các số 0 đó, vì vậy chúng tôi có thể cắt bỏ rất nhiều chu trình lưu trữ và tính toán không cần thiết, giúp giảm kích thước và sức mạnh của chip và tăng tốc độ xử lý của chip”, Sze nói.
Thông qua thiết kế của họ, nhóm nghiên cứu đã có thể giảm bộ nhớ của chip từ 2 megabyte trước đó xuống còn khoảng 0,8 megabyte. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm chip trên các bộ dữ liệu được thu thập trước đây được tạo ra bởi máy bay không người lái bay qua nhiều môi trường, chẳng hạn như không gian văn phòng và nhà kho.
“Mặc dù chúng tôi đã tùy chỉnh chip để xử lý năng lượng thấp và tốc độ cao, chúng tôi cũng làm cho nó đủ linh hoạt để có thể thích ứng với các môi trường khác nhau này để tiết kiệm năng lượng bổ sung”, Sze nói. “Điều quan trọng là tìm sự cân bằng giữa tính linh hoạt và hiệu quả.” Con chip này cũng có thể được cấu hình lại để hỗ trợ các camera và cảm biến đơn vị đo lường quán tính (IMU) khác nhau.
Từ các thử nghiệm này, các nhà nghiên cứu nhận thấy họ có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng của chip từ 2 watt xuống còn 24 milliwatts, và điều này đủ để cung cấp năng lượng cho chip xử lý hình ảnh ở tốc độ 171 khung hình mỗi giây – tốc độ thậm chí còn nhanh hơn những gì các bộ dữ liệu dự kiến.
Nhóm dự định thể hiện thiết kế của mình bằng cách triển khai chip trên một chiếc xe đua thu nhỏ. Mặc dù màn hình hiển thị video trực tiếp của máy ảnh trên bo mạch, các nhà nghiên cứu cũng hy vọng hiển thị chip xác định vị trí của nó trong không gian, trong thời gian thực, cũng như lượng năng lượng mà nó sử dụng để thực hiện nhiệm vụ này. Cuối cùng, nhóm dự định thử nghiệm chip trên một máy bay không người lái thực tế, và cuối cùng là trên một máy bay không người lái thu nhỏ.
Nghiên cứu này được hỗ trợ, một phần, bởi Văn phòng Nghiên cứu Khoa học của Không quân và bởi Quỹ Khoa học Quốc gia.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ Massachusetts . Bản gốc được viết bởi Jennifer Chu. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.