Los investigadores del MIT, que el año pasado diseñaron un pequeño chip de computadora diseñado para ayudar a los drones del tamaño de una abeja a navegar, ahora han reducido aún más su diseño de chip, tanto en tamaño como en consumo de energía.
El equipo, codirigido por Vivienne Sze, profesora asociada en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación EECS del MIT, y Sertac Karaman, Profesor Asociado de Desarrollo de Carrera de Aeronáutica y Astronáutica de la Clase de 1948, construyeron un chip totalmente personalizado a partir dedesde cero, con un enfoque en reducir el consumo de energía y el tamaño al tiempo que aumenta la velocidad de procesamiento.
El nuevo chip de computadora, llamado "Navion", que presentarán esta semana en el Simposio sobre Tecnología y Circuitos VLSI, mide solo 20 milímetros cuadrados, aproximadamente el tamaño de la huella de una minifigura de LEGO, y consume solo 24 milivatios deenergía, o alrededor de una milésima parte de la energía requerida para encender una bombilla.
Usando esta pequeña cantidad de energía, el chip puede procesar imágenes de cámara en tiempo real de hasta 171 fotogramas por segundo, así como mediciones inerciales, que utiliza para determinar dónde está en el espacio. Los investigadoresdigamos que el chip se puede integrar en "nanodrones" tan pequeños como una uña, para ayudar a los vehículos a navegar, particularmente en lugares remotos o inaccesibles donde los datos satelitales de posicionamiento global no están disponibles.
El diseño del chip también se puede ejecutar en cualquier robot o dispositivo pequeño que necesite navegar durante largos períodos de tiempo con una fuente de alimentación limitada.
"Me imagino aplicando este chip a la robótica de baja energía, como los vehículos de ala batiente del tamaño de su uña, o vehículos más livianos que el aire como globos meteorológicos, que tienen que durar meses con una batería", dice Karaman, que es miembro del Laboratorio de Sistemas de Información y Decisión y del Instituto de Datos, Sistemas y Sociedad del MIT. "O imagine dispositivos médicos como una pequeña píldora que se traga, que pueden navegar de manera inteligente con muy poca batería.no se sobrecalienta en su cuerpo. Las fichas que estamos construyendo pueden ayudar con todo esto ".
Los coautores de Sze y Karaman son el estudiante graduado de EECS Amr Suleiman, quien es el autor principal; el estudiante graduado de EECS Zhengdong Zhang; y Luca Carlone, quien fue investigadora científica durante el proyecto y ahora es profesora asistente en el Departamento de Aeronáutica del MITy astronáutica.
un chip flexible
En los últimos años, varios grupos de investigación han diseñado drones en miniatura lo suficientemente pequeños como para caber en la palma de su mano. Los científicos imaginan que esos vehículos tan pequeños pueden volar y tomar fotografías de sus alrededores, como fotógrafos o topógrafos del tamaño de un mosquito,antes de aterrizar de nuevo en la palma de la mano, donde pueden almacenarse fácilmente.
Pero un dron del tamaño de una palma solo puede transportar tanta energía de la batería, la mayor parte de la cual se usa para hacer que sus motores vuelen, dejando muy poca energía para otras operaciones esenciales, como la navegación y, en particular, la estimación del estado o uncapacidad del robot para determinar dónde está en el espacio.
"En la robótica tradicional, tomamos las computadoras comerciales existentes e implementamos algoritmos [de estimación de estado] en ellas, porque generalmente no tenemos que preocuparnos por el consumo de energía", dice Karaman. "Pero en cada proyecto que requierepara miniaturizar las aplicaciones de baja potencia, ahora tenemos que pensar en los desafíos de la programación de una manera muy diferente ".
En su trabajo anterior, Sze y Karaman comenzaron a abordar estos problemas combinando algoritmos y hardware en un solo chip. Su diseño inicial se implementó en una matriz de puerta programable en campo, o FPGA, una plataforma de hardware comercial que se puede configurar parauna aplicación determinada. El chip fue capaz de realizar una estimación de estado utilizando 2 vatios de potencia, en comparación con drones estándar más grandes que normalmente requieren de 10 a 30 vatios para realizar las mismas tareas. Aún así, el consumo de energía del chip fue mayor que la cantidad total deEl poder que los drones en miniatura normalmente pueden llevar, que los investigadores estiman en alrededor de 100 milivatios.
Para reducir aún más el chip, tanto en tamaño como en consumo de energía, el equipo decidió construir un chip desde cero en lugar de reconfigurar un diseño existente. "Esto nos dio mucha más flexibilidad en el diseño del chip", Szedice.
Corriendo en el mundo
Para reducir el consumo de energía del chip, al grupo se le ocurrió un diseño para minimizar la cantidad de datos, en forma de imágenes de cámara y mediciones de inercia, que se almacenan en el chip en cualquier momento. El diseño también optimizala forma en que estos datos fluyen a través del chip.
"Cualquiera de las imágenes que habríamos almacenado temporalmente en el chip, en realidad la comprimimos, por lo que requirió menos memoria", dice Sze, que es miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica en el MIT. El equipo también redujo las extrañasoperaciones, como el cálculo de ceros, que da como resultado un cero. Los investigadores encontraron una manera de omitir esos pasos computacionales que involucran ceros en los datos ". Esto nos permitió evitar tener que procesar y almacenar todos esos ceros, para que podamosreduce muchos ciclos innecesarios de almacenamiento y cálculo, lo que reduce el tamaño y la potencia del chip, y aumenta la velocidad de procesamiento del chip ", dice Sze.
A través de su diseño, el equipo pudo reducir la memoria del chip de sus 2 megabytes anteriores, a aproximadamente 0,8 megabytes. El equipo probó el chip en conjuntos de datos recopilados previamente generados por drones que vuelan a través de múltiples entornos, como oficinas y almacenesespacios
"Si bien personalizamos el chip para el procesamiento de baja potencia y alta velocidad, también lo hicimos lo suficientemente flexible para que pueda adaptarse a estos diferentes entornos para un ahorro de energía adicional", dice Sze. "La clave es encontrar el equilibrio entre flexibilidad yeficiencia ". El chip también se puede reconfigurar para admitir diferentes cámaras y sensores de unidades de medición de inercia IMU.
A partir de estas pruebas, los investigadores descubrieron que podían reducir el consumo de energía del chip de 2 vatios a 24 milivatios, y que esto era suficiente para alimentar el chip para procesar imágenes a 171 cuadros por segundo, una tasa que era inclusomás rápido de lo que proyectaban los conjuntos de datos.
El equipo planea demostrar su diseño implementando su chip en un auto de carreras en miniatura. Mientras una pantalla muestra el video en vivo de una cámara a bordo, los investigadores también esperan mostrar el chip determinando dónde está en el espacio, en tiempo real, comoasí como la cantidad de energía que utiliza para realizar esta tarea. Eventualmente, el equipo planea probar el chip en un dron real y, en última instancia, en un dron en miniatura.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y por la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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