Distilling Tiny and Ultrafast Deep Neural Networks for Autonomous Navigation on Nano-UAVs

计算机科学 卷积神经网络 内存占用 人工智能 实时计算 深度学习 人工神经网络 避障 机器人 移动机器人 操作系统
作者
Lorenzo Lamberti,Lorenzo Bellone,Luka Macan,Enrico Natalizio,Francesco Conti,Daniele Palossi,Luca Benini
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (20): 33269-33281 被引量:12
标识
DOI:10.1109/jiot.2024.3431913
摘要

Nano-sized unmanned aerial vehicles (UAVs) are ideal candidates for flying Internet-of-Things smart sensors to collect information in narrow spaces. This requires ultra-fast navigation under very tight memory/computation constraints. The PULP-Dronet convolutional neural network (CNN) enables autonomous navigation running aboard a nano-UAV at 19, at the cost of a large memory footprint of 320kB– and with drone control in complex scenarios hindered by the disjoint training of collision avoidance and steering capabilities. In this work, we distill a novel family of CNNs with better capabilities than PULP-Dronet, but memory footprint reduced by up to 168× (down to 2.9kB), achieving an inference rate of up to 139frame/s; we collect a new open-source unified collision/steering 66images dataset for more robust navigation; and we perform a thorough in-field analysis of both PULP-Dronet and our tiny CNNs running on a commercially available nano-UAV. Our tiniest CNN, called Tiny-PULP-Dronet v3, navigates with a 100% success rate a challenging and never-seen-before path, composed of a narrow obstacle-populated corridor and a 180°turn, at a maximum target speed of 0.5m/s. In the same scenario, the SoA PULP-Dronet consistently fails despite having 168× more parameters.
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