DE102016216948A1 - Model calculation unit and control unit for calculating a neuron layer of a multilayer perceptron model with optional input and output transformation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Modellberechnungseinheit zur wahlweisen Berechnung einer Schicht eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells und mindestens eines weiteren datenbasierten Funktionsmodells mit einem in Hardware ausgebildeten fest verdrahteten Rechenkern zur Berechnung eines fest vorgegebenen Rechenalgorithmus in gekoppelten Funktionsblöcken, wobei der Rechenkern eine Zustandsmaschine und Operationsblöcke aufweist, wobei die Zustandsmaschine die Rechenoperation zur Berechnung der Schicht des mehrschichtigen Perzeptronenmodells und des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells vorgibt, wobei die Zustandsmaschine weiterhin ausgebildet ist, um auswählbar vor der Berechnung der Schicht des Perzeptronenmodells oder der Berechnung des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells eine Eingangstransformation von Eingangsgrößen und/oder nach der Berechnung der Schicht des Perzeptronenmodells oder der Berechnung des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells eine Ausgangstransformation von Ausgangsgrößen vorzunehmen. The invention relates to a model calculation unit for selectively calculating a layer of a multi-layer perceptron model and at least one further data-based function model with a hardwired computation core embodied in hardware for calculating a fixed computation algorithm in coupled function blocks, the computation core having a state machine and operation blocks, wherein the state machine comprises the Arithmetic operation for calculating the layer of the multi-layer perceptron model and the at least one further data-based function model, wherein the state machine is further configured to selectable before the calculation of the layer of the perceptron model or the calculation of the at least one other data-based function model an input transformation of input variables and / or after the calculation of the layer of the perceptron model or the calculation of the at least one further data-based n function model to make an output transformation of output variables.

Figure DE102016216948A1_0001
Figure DE102016216948A1_0001

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft die Berechnung von Funktionsmodellen in einer separaten hartverdrahteten Modellberechnungseinheit, insbesondere zur Berechnung von mehrschichtigen Perzeptronenmodellen. The invention relates to the calculation of functional models in a separate hardwired model calculation unit, in particular for the calculation of multilayer perceptron models.

Technischer Hintergrund Technical background

Funktionen von Steuerungen von technischen Systemen, wie z.B. Verbrennungsmotoren, Elektroantrieben, Batteriespeicher und dergleichen, werden häufig mit Modellen realisiert, die ein mathematisches Abbild des realen Systems darstellen. Jedoch mangelt es bei physikalischen Modellen, insbesondere bei komplexen Zusammenhängen, an der erforderlichen Berechnungsgenauigkeit, und es ist bei heutigen Rechenkapazitäten in der Regel schwierig, derartige Modelle innerhalb der für ein Steuergerät geforderten Echtzeitanforderungen zu berechnen. Für solche Fälle ist angedacht, datenbasierte Modelle zu verwenden, die Zusammenhänge zwischen einer Ausgangsgröße und Eingangsgrößen ausschließlich auf der Basis von mit Hilfe eines Prüfstands oder dergleichen erhaltenen Trainingsdaten beschreiben. Insbesondere eignen sich datenbasierte Modelle zum Modellieren von komplexen Zusammenhängen, bei denen mehrere Eingangsgrößen, zwischen denen Wechselbeziehungen bestehen, in geeigneter Weise in dem Modell berücksichtigt werden. Zudem bietet die Modellierung mit Hilfe von datenbasierten Modellen die Möglichkeit, das Modell durch Hinzufügen von einzelnen Eingangsgrößen zu ergänzen.Functions of controls of technical systems, e.g. Internal combustion engines, electric drives, battery storage and the like, are often implemented with models that represent a mathematical image of the real system. However, in physical models, especially in complex contexts, the required computational accuracy is lacking, and with today's computing capabilities, it is usually difficult to compute such models within the real-time requirements required for a controller. For such cases, it is envisaged to use data-based models which describe relationships between an output variable and input variables exclusively on the basis of training data obtained with the aid of a test stand or the like. In particular, data-based models are suitable for modeling complex contexts in which multiple inputs between which interrelations exist are properly considered in the model. In addition, modeling with the help of data-based models offers the possibility to supplement the model by adding individual input variables.

Datenbasierte Funktionsmodelle basieren in der Regel auf einer großen Anzahl von Stützstellen, um eine für die jeweilige Anwendung ausreichende Modellierungsgenauigkeit zu erreichen. Aufgrund der hohen Anzahl der Stützstellen wird zur Berechnung eines Modellwertes mit einem datenbasierten Funktionsmodell, wie beispielsweise einem Gauß-Prozess-Modell, eine hohe Rechenkapazität benötigt. Um ein derartiges datenbasiertes Funktionsmodell in einer Steuergeräteanwendung in Echtzeit berechnen zu können, können daher auf einer Hardwareausgestaltung basierende Modellberechnungseinheiten vorgesehen sein.Data-based function models are usually based on a large number of support points in order to achieve sufficient modeling accuracy for the respective application. Due to the high number of nodes, a high computational capacity is needed to compute a model value with a data-based functional model, such as a Gaussian process model. Therefore, in order to be able to calculate such a data-based functional model in a controller application in real time, model calculation units based on a hardware design can be provided.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß sind eine Modellberechnungseinheit zur Berechnung einer Schicht eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells gemäß Anspruch 1 sowie ein Steuergerät und eine Verwendung des Steuergeräts nach einem der nebengeordneten Ansprüche vorgesehen.According to the invention, a model calculation unit for calculating a layer of a multilayer perceptron model according to claim 1 as well as a control device and a use of the control device according to one of the independent claims are provided.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further embodiments are specified in the dependent claims.

Die obige Modellberechnungseinheit sieht eine Ausgestaltung vor, die es ermöglicht, eine Neuronenschicht eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells (MLP-Modells) mit einer variablen Anzahl von Neuronen oder mindestens ein weiteres datenbasiertes Funktionsmodell zu berechnen.The above model calculation unit provides an embodiment that makes it possible to calculate a neuron layer of a multilayer perceptron model (MLP model) with a variable number of neurons or at least one other data-based function model.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Modellberechnungseinheit zur wahlweisen Berechnung einer Neuronenschicht eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells und mindestens eines weiteren datenbasierten Funktionsmodells mit einem in Hardware ausgebildeten fest verdrahteten Rechenkern zur Berechnung eines fest vorgegebenen Rechenalgorithmus in gekoppelten Funktionsblöcken, wobei der Rechenkern eine Zustandsmaschine und Operationsblöcke aufweist, wobei die Zustandsmaschine die Rechenoperation zur Berechnung der Neuronenschicht des mehrschichtigen Perzeptronenmodells und des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells vorgibt, wobei die Zustandsmaschine weiterhin ausgebildet ist, um auswählbar vor der Berechnung der Neuronenschicht des Perzeptronenmodells oder der Berechnung des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells eine Eingangstransformation von Eingangsgrößen und/oder nach der Berechnung der Neuronenschicht des Perzeptronenmodells oder der Berechnung des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells eine Ausgangstransformation von Ausgangsgrößen vorzunehmen. According to a first aspect, a model calculation unit for selectively calculating a neuron layer of a multi-layered perceptron model and at least one further data-based function model with a hardwired computational kernel designed to compute a fixed computation algorithm in coupled function blocks, wherein the computational core comprises a state machine and operation blocks State machine specifying the arithmetic operation for computing the neuron layer of the multi-layered perceptron model and the at least one other data-based function model, the state machine being further configured to select an input transformation of input quantities and / or before the calculation of the neuron layer of the perceptron model or the computation of the at least one further data-based function model. or after the calculation of the neuron layer of the perceptron model or the calculation de s perform at least one additional data-based function model an output transformation of output variables.

Eine Idee der obigen Modellberechnungseinheit besteht darin, diese zur Berechnung einer Neuronenschicht eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells und mindestens eines weiteren datenbasierten Funktionsmodells in Hardwarestrukturen separat in einem Rechenkern in einem Steuergerät auszubilden. Auf diese Weise kann eine im Wesentlichen fest verdrahtete Hardwareschaltung zur Realisierung von Funktionen bereitgestellt werden, die es ermöglicht, eine oder mehrere Neuronenschichten eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells zu berechnen und dabei nur eine sehr geringe Rechenlast in einem softwaregesteuerten Mikroprozessor eines Steuergeräts zu bewirken. Durch die Hardwarebeschleunigung, die durch die Modellberechnungseinheit bereitgestellt wird, kann ein mehrschichtiges Perzeptronenmodell oder ein sonstiges datenbasiertes Funktionsmodell in Echtzeit berechnet werden, so dass die Verwendung eines solchen Modells für Steuergeräteanwendungen für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen interessant wird. One idea of the above model calculation unit is to form these separately in a calculation kernel in a control unit for calculating a neuron layer of a multilayer perceptron model and at least one further data-based function model in hardware structures. In this way, a substantially hard-wired hardware circuit can be provided for the realization of functions, which makes it possible to calculate one or more neuron layers of a multilayer perceptron model and thereby only a very small computational load in a software-controlled system Microprocessor of a controller to effect. By the hardware acceleration provided by the model calculation unit, a multilayer perceptron model or other data-based functional model can be calculated in real time, so that the use of such a model becomes interesting for control applications for internal combustion engines in automobiles.

Durch die Möglichkeit eine Eingangstransformation und/oder Ausgangstransformation von Eingangsgrößen bzw. Ausgangsgrößen vorzunehmen oder zu überspringen, kann je nach Art des zu berechnenden Modells eine Anpassung der Eingangsgrößen bzw. der Ausgangsgrößen vorgenommen werden. Due to the possibility of making or skipping an input transformation and / or output transformation of input variables or output variables, an adaptation of the input variables or the output variables can be carried out, depending on the type of model to be calculated.

Die Modellberechnungseinheit kann mit Schnittstellen ausgestattet sein, um das MLP-Modell schichtweise zu berechnen, so dass die Anzahl der MLP-Neuronenschichten und die Anzahl der Neuronen in jeder Neuronenschicht frei gewählt werden kann. Durch diese schichtweise Aufteilung können die Parameter, wie beispielsweise die Synapsengewichtungen, für jede Neuronenschicht separat vorgegeben werden.The model calculation unit may be equipped with interfaces to calculate the MLP model in layers, so that the number of MLP neuron layers and the number of neurons in each neuron layer can be freely selected. Through this layered division, the parameters, such as the synapse weights, for each neuron layer can be specified separately.

Der Rechenkern kann ausgebildet sein, um für die Berechnung der Neuronenschicht des mehrschichtigen Perzeptronenmodells mit einer Anzahl von Neuronen abhängig von einer oder mehreren Eingangsgrößen eines Eingangsgrößenvektors, von einer Gewichtungsmatrix mit Gewichtungsfaktoren und einen für jedes Neuron vorgegebenen Offsetwert eine Ausgangsgröße für jedes Neuron zu berechnen, wobei für jedes Neuron eine Summe der mit einem durch das Neuron und die Eingangsgröße bestimmten Gewichtungsfaktor gewichteten Werte der Eingangsgrößen und dem dem Neuron vorgegebenen Offsetwert berechnet wird und das Ergebnis mit einer Aktivierungsfunktion transformiert wird, um die Ausgangsgröße für das Neuron zu erhalten. The arithmetic kernel may be configured to calculate an output for each neuron for computing the neuron layer of the multi-layered perceptron model having a number of neurons depending on one or more inputs of an input vector, a weighting matrix with weighting factors, and an offset value for each neuron for each neuron, calculating a sum of the values of the input quantities and the offset value given to the neuron, weighted by a weighting factor determined by the neuron and the input, and transforming the result with an activation function to obtain the output quantity for the neuron.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Zustandsmaschine weiterhin ausgebildet sein, um auswählbar vor der Berechnung der Neuronenschicht des Perzeptronenmodells oder der Berechnung des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells einen Kopiervorgang der Eingangsgrößen in einen weiteren Speicherbereich und/oder nach der Berechnung der Neuronenschicht des Perzeptronenmodells oder der Berechnung des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells einen Kopiervorgang der Ausgangsgrößen in einen weiteren Speicherbereich vorzunehmen. According to one embodiment, the state machine may be further configured to select, before the calculation of the neuron layer of the perceptron model or the calculation of the at least one further data-based function model, a copying process of the input variables into a further memory area and / or after the calculation of the neuron layer of the perceptron model or the computation of the at least one further data-based function model to perform a copy operation of the output variables in a further memory area.

Der Rechenkern kann ausgebildet sein, um abhängig von einer Auswahlgröße (cfg_activation_function) eine Art der Aktivierungsfunktion für das mehrschichtigen Perzeptronenmodells auszuwählen und/oder mithilfe einer weiteren Auswahlgröße auswählen, ob ein Gaußprozessmodell bzw. ein RBF-Modell oder eine Neuronenschicht des Perzeptronenmodells berechnet werden soll.The arithmetic kernel can be designed to select a type of activation function for the multilayer perceptron model depending on a selection variable (cfg_activation_function) and / or select with the aid of a further selection variable whether a Gaussian process model or an RBF model or a neuron layer of the perceptron model is to be calculated.

Der Rechenkern kann in einem Flächenbereich eines integrierten Bausteins ausgebildet sein.The arithmetic core can be formed in a surface area of an integrated component.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben der obigen Modellberechnungseinheit vorgesehen, wobei bei einer Berechnung der Neuronenschicht des Perzeptronenmodells und/oder oder abhängig von einer Auswahlvariablen die Eingangstransformation von Eingangsgrößen und/oder die Ausgangstransformation von Ausgangsgrößen übersprungen wird. According to a further aspect, a method for operating the above model calculation unit is provided, wherein in a calculation of the neuron layer of the perceptron model and / or depending on a selection variable, the input transformation of input variables and / or the output transformation of output variables is skipped.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Steuergerät mit einem Mikroprozessor und einer oder mehreren der obigen Modellberechnungseinheiten vorgesehen.In another aspect, a controller having a microprocessor and one or more of the above model calculation units is provided.

Insbesondere kann das Steuergerät als eine integrierte Schaltung ausgebildet sein.In particular, the controller may be formed as an integrated circuit.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Verwendung des obigen Steuergeräts als ein Steuergerät zur Steuerung eines Motorsystems in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. According to another aspect, a use of the above control device is provided as a control device for controlling an engine system in a motor vehicle.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts zum Einsatz für ein Motorsystem in einem Kraftfahrzeugs; 1 a schematic representation of a control unit for use for an engine system in a motor vehicle;

2 eine schematische Darstellung einer Berechnungseinheit als Teil des Steuergeräts; 2 a schematic representation of a calculation unit as part of the control unit;

3 eine schematische Darstellung einer Neuronenschicht eines MLP-Modells; und 3 a schematic representation of a neuron layer of an MLP model; and

4a4d Darstellungen von möglichen Aktivierungsfunktionen. 4a - 4d Representations of possible activation functions.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 2 für ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 3 als ein zu steuerndes technisches System. Alternative Systeme, wie z.B. Motorsysteme mit Elektromotor oder ein Batteriesystem können in vergleichbarer Weise durch ein derartiges Steuergerät gesteuert werden. Das Steuergerät 2 umfasst einen Mikroprozessor 21 und eine Modellberechnungseinheit 22, die als separate Bauteile oder in integrierter Weise in separaten Flächenbereichen auf einem Chip ausgebildet sein können. Insbesondere stellt die Modellberechnungseinheit 22 eine Hardwareschaltung dar, die strukturell von einem Rechenkern des Mikroprozessors 21 getrennt sein kann. 1 shows an example of a schematic representation of a control device 2 for an engine system 1 with an internal combustion engine 3 as a technical system to be controlled. Alternative systems, such as motor systems with an electric motor or a battery system can be controlled in a comparable manner by such a control device. The control unit 2 includes a microprocessor 21 and a model calculation unit 22 , which may be formed as separate components or in an integrated manner in separate areas on a chip. In particular, the model calculation unit provides 22 a hardware circuit that is structurally from a computational core of the microprocessor 21 can be separated.

Die Modellberechnungseinheit 22 ist im Wesentlichen hartverdrahtet und dementsprechend nicht wie der Mikroprozessor 21 dazu ausgebildet, einen Softwarecode auszuführen und dadurch eine variable durch Software vorgegebene Funktion auszuführen. Mit anderen Worten ist in der Modellberechnungseinheit 22 kein Prozessor vorgesehen, so dass diese nicht durch einen Softwarecode betreibbar ist. Durch die Fokussierung auf eine vorgegebene Modellfunktion wird eine ressourcenoptimierte Realisierung einer solchen Modellberechnungseinheit 22 ermöglicht. In integrierter Aufbauweise kann die Modellberechnungseinheit 22 flächenoptimiert realisiert werden, die zudem schnelle Berechnungen ermöglicht. The model calculation unit 22 is essentially hardwired and therefore not like the microprocessor 21 adapted to execute a software code and thereby perform a variable predetermined by software function. In other words, in the model calculation unit 22 no processor is provided so that it is not operable by a software code. Focusing on a given model function results in a resource-optimized realization of such a model calculation unit 22 allows. In an integrated structure, the model calculation unit 22 optimized in terms of area, which also enables fast calculations.

Das Steuergerät 2 dient im Wesentlichen dazu, Sensorsignale S bzw. Sensorgrößen, die von einer Sensorik in dem Verbrennungsmotor 3 erfasst werden, und/oder externe Vorgaben V zu verarbeiten und zyklisch in fest vorgegebenen Zeitabständen, d.h. für die Steuerung von Verbrennungsmotoren periodisch innerhalb einer Zykluszeit beispielsweise von zwischen 1ms und 100ms Werte, oder winkelsynchron (synchron zur Stellung einer Kurbelwelle) in Abhängigkeit zu einem Kurbelwellenwinkel eines betriebenen Verbrennungsmotors von einer oder mehreren entsprechenden Ansteuergrößen A an den Verbrennungsmotor 3 anzulegen, so dass dieser in an sich bekannter Weise betreibbar ist.The control unit 2 essentially serves to sensor signals S and sensor sizes that of a sensor in the internal combustion engine 3 be detected, and / or process external specifications V and cyclically at fixed predetermined intervals, ie for the control of internal combustion engines periodically within a cycle time, for example, between 1ms and 100ms values, or angle synchronous (synchronous to the position of a crankshaft) in dependence on a crankshaft angle an operated internal combustion engine of one or more corresponding control variables A to the internal combustion engine 3 create, so that it can be operated in a conventional manner.

In 2 ist eine Modellberechnungseinheit 22 ausführlicher dargestellt. Die Modellberechnungseinheit 22 umfasst eine Zustandsmaschine 11, einen Speicher 12 und einen oder mehrere Operationsblöcke, die beispielsweise einen oder mehrere MAC-Blöcke 13 (MAC: Multiply-ACcumulate, für Festkomma- oder Gleitkomma-Berechnung) und einen Aktivierungsfunktion-Berechnungsblock 14 zur Berechnung einer Aktivierungsfunktion. Die Zustandsmaschine 11 und der eine oder die mehreren Operationsblöcke 13, 14 bilden einen Rechenkern ALU der Modellberechnungseinheit 22. Die Operationsblöcke können zusätzlich oder alternativ zu dem MAC-Block einen Multiplizierblock und einen Additionsblock umfassen.In 2 is a model calculation unit 22 shown in more detail. The model calculation unit 22 includes a state machine 11 , a store 12 and one or more operation blocks, for example, one or more MAC blocks 13 (MAC: Multiply-ACcumulate, for fixed-point or floating-point calculation) and an activation function calculation block 14 to calculate an activation function. The state machine 11 and the one or more operation blocks 13 . 14 form a calculation kernel ALU of the model calculation unit 22 , The operation blocks may include a multiplier block and an addition block in addition to or as an alternative to the MAC block.

Mit Hilfe der Zustandsmaschine 11 können in einem Eingangsgrößenspeicherbereich dem Speicher 12 abgelegte Werte von Eingangsgrößen durch wiederholte Schleifenberechnungen verrechnet werden, um Zwischengrößen bzw. Ausgangsgrößen zu erhalten, die in einen entsprechenden Ausgangsgrößenspeicherbereich des Speichers 12 geschrieben werden. With the help of the state machine 11 may be in memory in an input memory area 12 stored values of input variables are to be offset by repeated loop calculations in order to obtain intermediate quantities or output quantities that are stored in a corresponding output memory area of the memory 12 to be written.

Die Zustandsmaschine 11 ist so ausgelegt, um eine einzelne Neuronenschicht eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells zu berechnen. Die Zustandsmaschine 11 kann anhand des nachfolgenden Pseudocodes beschrieben werden:

Figure DE102016216948A1_0002
The state machine 11 is designed to compute a single neuron layer of a multilayer perceptron model. The state machine 11 can be described by the following pseudocode:
Figure DE102016216948A1_0002

Mit

p7:
maximaler Indexwert für die Eingangsgrößen des Eingangsgrößenvektors
p8:
minimaler Indexwert bzw. vorgegebener Startindex für die Anzahl der Neuronen
p6:
maximaler Indexwert für die Anzahl der Neuronen
p3:
Offsetwert
p1, p2:
Variablen für die Eingangstransformation
p4, p5:
Variablen für die Ausgangstransformation
With
p7:
maximum index value for the input variables of the input variable vector
p8:
minimum index value or default start index for the number of neurons
p6:
maximum index value for the number of neurons
p3:
offset value
p1, p2:
Variables for the input transformation
p4, p5:
Variables for the output transformation

Mit Hilfe des obigen Pseudocodes lässt sich folgende Berechnung für jedes Neuron der zu berechnenden Neuronenschicht durchführen: y[j] = act(p3[j] + ∑ p7-1 / k=0vj,k·ut[k] für j = 0...p6 – 1 With the aid of the above pseudocode, the following calculation can be carried out for each neuron of the neuron layer to be calculated: y [j] = act (p3 [j] + Σp7-1 / k = 0v j, k · ut [k] for j = 0 ... p6 - 1

Dieses stellt eine Berechnung für eine Neuronenschicht eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells dar, wie es in 3 dargestellt ist.This represents a computation for a neuron layer of a multilayer perceptron model as shown in FIG 3 is shown.

3 zeigt eine Neuronenschicht von mehreren Neuronen 20, denen Werte von Eingangsgrößen eines Eingangsgrößenvektors ut0...utp6-1 zugeführt werden. Die Werte der Eingangsgrößen werden mit Hilfe einer entsprechenden vorgegebenen Gewichtungsmatrix aus Gewichtungswerten gewichtet, die als Gewichtungsfaktoren v0...p7-1,0...p6-1 vorgesehen sind. Die Gewichtung erfolgt in der Regel durch multiplikatives Beaufschlagen mit den zugeordneten Gewichtungsfaktoren v0...p7-1,0...p6-1, kann jedoch auch in anderer Weise die Werte des Eingangsgrößenvektors beaufschlagen. 3 shows a neuron layer of several neurons 20 to which values of input variables of an input variable vector ut 0 ... ut p6-1 are supplied. The values of the input variables are weighted by means of a corresponding predefined weighting matrix of weighting values, which are provided as weighting factors v 0... P7-1,0... P6-1 . The weighting is generally done by multiplicatively applying the associated weighting factors v 0 ... p7-1.0 ... p6-1 , but can also load the values of the input variable vector in another way.

Die Summen der gewichteten Werte des Eingangsgrößenvektors ut0...utp6-1 werden jeweils mit einem Offsetwert O0...Op6-1 beaufschlagt, insbesondere additiv beaufschlagt. Das Ergebnis wird mit einer vorgegebenen Aktivierungsfunktion „act“ transformiert. Als Ergebnis erhält man einen entsprechenden Wert eines Ausgangsgrößenvektors y0...yp6-1. Durch das Vorsehen des Offsetwerts für jedes Neuron besteht ein weiterer Freiheitsgrad für die Modellbildung. The sums of the weighted values of the input vector 0 ... ut ut P6-1 are each acted upon with an offset value O O 0 ... P6-1, in particular applied additive. The result is transformed with a given activation function "act". The result is a corresponding value of an output vector y 0 ... y p6-1 . By providing the offset value for each neuron, there is another degree of freedom for modeling.

Durch Festlegen der Laufvariablen p6 kann die Anzahl der Neuronen 20 der zu berechnenden Neuronenschicht eingestellt werden. Ein mehrschichtiges Perzeptronenmodell kann durch Verwenden der Werte des Ausgangsgrößenvektors y0...yp6-1 einer Neuronenschicht als Eingangsgrößenvektor für eine Berechnung einer nachfolgenden Neuronenschicht in der Modellberechnungseinheit 22 verwendet werden, so dass die Anzahl der Neuronenschichten des mehrschichtigen Perzeptronenmodells durch wiederholtes Aufrufen der Funktion gemäß dem obigen Pseudocode bzw. durch wiederholtes Aufrufen der Modellberechnungseinheit 22 mit unterschiedlichen Parametern realisiert werden kann.By setting the running variable p6, the number of neurons 20 be set to be calculated neuron layer. A multilayer perceptron model may be constructed by using the values of the output vector y 0 ... Y p6-1 of a neuron layer as the input vector for calculation of a subsequent neuron layer in the model calculation unit 22 so that the number of neuron layers of the multi-layered perceptron model is repeated by invoking the function according to the above pseudocode or by repeatedly calling the model calculation unit 22 can be realized with different parameters.

Es kann eine Eingangs- und/oder Ausgangstransformation der Eingangsgrößen des Eingangsgrößenvektors bzw. der Ausgangsgrößen des Ausgangsgrößenvektors mithilfe der für jedes Neuron vorgegebenen Normierungsvariablen p1 und p2 bzw. p4 und p5 vorgenommen werden. An input and / or output transformation of the input variables of the input variable vector or the output variables of the output vector can be carried out by means of the standardization variables p1 and p2 or p4 and p5 given for each neuron.

Die schichtweise Berechnung des MLP-Modells ermöglicht eine schlanke Ausgestaltung der Modellberechnungseinheit 22, so dass deren Flächenbedarf in integrierter Bauweise gering ist. Trotzdem ermöglicht die Modellberechnungseinheit 22 eine Berechnung eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells in einfacher Weise durch Rückführung oder Umdefinition der Werte der Ausgangsgrößen des Ausgangsgrößenvektors als Eingangsgrößen eines Eingangsgrößenvektors für die Berechnung einer weiteren Neuronenschicht. The layered calculation of the MLP model enables a lean design of the model calculation unit 22 , so that their space requirement in integrated construction is low. Nevertheless, the model calculation unit allows 22 a calculation of a multilayer perceptron model in a simple manner by repatriation or redefinition of the values of the output variables of the output vector as input variables of an input vector for the calculation of another neuron layer.

Als Aktivierungsfunktion „act“ kann eine von mehreren Aktivierungsfunktionen zur Verfügung gestellt werden, die durch den Aktivierungsfunktion-Berechnungsblock 14 der Modellberechnungseinheit 22 berechnet werden kann. Die Aktivierungsfunktionen können beispielsweise eine Knickfunktion, eine Sigmoidfunktion, eine Tangens-Hyberbolicus-Funktion oder eine lineare Funktion verwendet werden, wie sie in den 4a bis 4d entsprechend dargestellt sind. The activation function "act" can be one of several activation functions provided by the activation function calculation block 14 the model calculation unit 22 can be calculated. The activation functions can be used, for example, a kink function, a sigmoid function, a hyperbaric hyperbolic function or a linear function as described in US Pat 4a to 4d are shown accordingly.

Durch die einschichtige Ausbildung des Neuronenmodells, das durch den obigen Pseudocode realisiert wird, ist es zudem möglich, durch einfache Modifikation neben einer Neuronenschicht eines MLP-Modells auch ein Gauß-Prozess-Modell bzw. ein RBF-Modell (RBF: Radiale Basisfunktion) zu berechnen. Dazu werden die Gewichtungswerte nicht multiplikativ auf die Werte der Eingangsgröße beaufschlagt, sondern additiv bzw. subtraktiv. Weiterhin wird der quadratische Abstand gerechnet, der mit vorgegebenen Längenskalen L[k] gewichtet ist. Weiterhin wird für das RBF-Modell als Aktivierungsfunktion eine Exponentialfunktion gewählt. Somit lässt sich ein Gauß-Prozess-Modell entsprechend y = ∑ p6-1 / j=0p3[j]·exp(–∑ p7-1 / k=0L[k]·(–vj,k + ut[k])2) durch eine Modifikation des Pseudocodes wahlweise wie folgt berechnen.

Figure DE102016216948A1_0003
By the single-layered construction of the neuron model, which is realized by the above pseudocode, it is also possible by simple modification in addition to a neuron layer of an MLP model also a Gauss process model or an RBF model (RBF: Radial Basis Function) to calculate. For this purpose, the weighting values are applied not multiplicatively to the values of the input variable, but additive or subtractive. Furthermore, the square distance is calculated, which is weighted with predetermined length scales L [k]. Furthermore, an exponential function is selected as the activation function for the RBF model. Thus, a Gaussian process model can be used accordingly y = Σp6-1 / j = 0p3 [j] * exp (-Σp7-1 / k = 0L [k] * (-vj , k + ut [k]) 2 ) by a modification of the pseudo code optionally calculated as follows.
Figure DE102016216948A1_0003

Man erkennt, dass bei der Durchführung der Schleifenfunktion durch die Variable cfg_mlp eine Fallunterscheidung durchgeführt werden kann. Bei cfg_mlp = 1 wird die Berechnung der Neuronenschicht gewählt und es kann mit cfg_activation_function = 0...3 die Art der oben beschriebenen Aktivierungsfunktionen ausgewählt werden.It can be seen that when the loop function is performed by the variable cfg_mlp, a case distinction can be made. If cfg_mlp = 1, the calculation of the neuron layer is selected and with cfg_activation_function = 0 ... 3 the type of the activation functions described above can be selected.

Bei cfg_mlp = 0 wird anstelle des MLP-Perzeptronenmodells ein Gaußprozessmodell oder ein RBF-Modell berechnet. Hier ist eine Auswahl der Aktivierungsfunktion nicht notwendig, da diese stets mit der Exponentialfunktion gerechnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Modellberechnungseinheit 22 sowohl für die Berechnung von Gauß-Prozess-Modellen und RBF-Modellen als auch für die Berechnung einer Neuronenschicht eines MLP-Modells zu verwenden und dabei einen nur geringen Flächenbedarf in integrierter Bauweise der Zustandsmaschine zu benötigen.If cfg_mlp = 0, a Gaussian process model or an RBF model is calculated instead of the MLP perceptron model. Here is a selection of the activation function is not necessary, since they are always calculated with the exponential function. In this way it is possible to use the model calculation unit 22 to use both for the calculation of Gaussian process models and RBF models as well as for the calculation of a neuron layer of an MLP model and thereby require only a small footprint in integrated state machine architecture.

Während für die Berechnung von Gaußprozessmodellen, RBF-Modellen oder dergleichen eine Eingangs- und Ausgangstransformation notwendig ist, ist dies nicht zwingend für die Berechnung einer Neuronenschicht eines Perzeptronenmodells. Daher kann es ausreichend sein, anstelle der Eingangs- und/oder Ausgangstransformation eine einfache Kopieroperation der Eingangsgröße und Ausgangsgrößen vorzunehmen. Befinden sich die Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen bereits in den dafür vorgesehenen Speicherbereich kann zudem auf die Kopieroperation verzichtet werden.While input and output transformation is necessary for the calculation of Gaussian process models, RBF models, or the like, this is not mandatory for the calculation of a neuron layer of a perceptron model. Therefore, it may be sufficient to perform a simple copy operation of the input and output variables instead of the input and / or output transformation. If the input variables and output variables are already in the memory area provided for this purpose, the copying operation can also be dispensed with.

Daher wird für die Eingangstransformation mithilfe einer Eingangstransformationsangabe cfg_skip_input_scaling, die angibt, ob eine Eingangstransformation vorgenommen werden soll, und einer Eingangsgrößenkopierangabe cfg_copy_input gesteuert, die angibt, ob die bereitgestellten Eingangsgrößen in einen weiteren Speicherbereich kopiert werden sollen oder ob die bereitgestellten Eingangsgrößen transformiert in dem weiteren Speicherbereich bereitgestellt werden sollen. Therefore, for the input transformation, cfg_skip_input_scaling indicating whether to perform an input transformation and an input size copy cfg_copy_input indicating whether the provided inputs should be copied to another memory area or whether the provided inputs are transformed in the further memory area is controlled by an input transformation indication should be provided.

Der Pseudocode für die Eingangstransformation lautet wie folgt:

Figure DE102016216948A1_0004
The pseudocode for the input transformation is as follows:
Figure DE102016216948A1_0004

Entsprechend wird für die Ausgangstransformation mithilfe einer Ausgangstransformationsangabe cfg_skip_output_scaling, die angibt, ob eine Ausgangstransformation vorgenommen werden soll, und einer Ausgangsgrößenkopierangabe cfg_copy_output gesteuert, die angibt, ob die bereitgestellten Ausgangsgrößen in einen weiteren Speicherbereich kopiert werden sollen oder ob die bereitgestellten Ausgangsgrößen transformiert in dem weiteren Speicherbereich bereitgestellt werden sollen. Similarly, for the output transformation, cfg_skip_output_scaling indicating whether an output transformation should be made and an output size copy cfg_copy_output indicating whether the provided outputs should be copied to another memory area or whether the provided outputs are transformed in the further memory area is controlled by an output transform indication should be provided.

Der Pseudocode für die Ausgangstransformation lautet wie folgt:

Figure DE102016216948A1_0005
The pseudocode for the output transformation is as follows:
Figure DE102016216948A1_0005

Insgesamt ist es dadurch wahlweise möglich, eine Eingangstransformation und/oder Ausgangstransformation und/oder einen Kopiervorgang der Eingangsgrößen in einen weiteren Speicherbereich sowie einen Kopiervorgang von Ausgangsgrößen in einen weiteren Speicherbereich entsprechend der Eingangstransformationsangabe cfg_skip_input_scaling, der Eingangsgrößenkopierangabe cfg_copy_input, der Ausgangstransformationsangabe cfg_skip_output_scaling und der Ausgangsgrößenkopierangabe cfg_copy_output durchzuführen. Dadurch kann insbesondere bei der Berechnung einer Neuronenschicht eines Perzeptronenmodells die Eingangs- und/oder Ausgangstransformation übersprungen werden, sodass die Berechnung insgesamt beschleunigt werden kann.On the whole, this makes it possible optionally to perform an input transformation and / or output transformation and / or a copying process of the input variables into a further memory area and a copying process of output variables into a further memory area in accordance with the input transformation information cfg_skip_input_scaling, the input variable copy cfg_copy_input, the output transformation information cfg_skip_output_scaling and the output variable copy cfg_copy_output , As a result, in particular when calculating a neuron layer of a perceptron model, the input and / or output transformation can be skipped so that the calculation as a whole can be accelerated.

Claims (9)

Modellberechnungseinheit (22) zur wahlweisen Berechnung einer Neuronenschicht eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells und mindestens eines weiteren datenbasierten Funktionsmodells mit einem in Hardware ausgebildeten fest verdrahteten Rechenkerns (18) zur Berechnung eines fest vorgegebenen Rechenalgorithmus in gekoppelten Funktionsblöcken, wobei der Rechenkern eine Zustandsmaschine (11) und Operationsblöcke (13, 14) aufweist, wobei die Zustandsmaschine (11) die Rechenoperation zur Berechnung der Neuronenschicht des mehrschichtigen Perzeptronenmodells und des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells vorgibt, wobei die Zustandsmaschine (11) weiterhin ausgebildet ist, um auswählbar vor der Berechnung der Neuronenschicht des Perzeptronenmodells oder der Berechnung des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells eine Eingangstransformation von Eingangsgrößen und/oder nach der Berechnung der Neuronenschicht des Perzeptronenmodells oder der Berechnung des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells eine Ausgangstransformation von Ausgangsgrößen vorzunehmen. Model calculation unit ( 22 ) for selectively calculating a neuron layer of a multi-layered perceptron model and at least one further data-based functional model with a hardwired computational core embodied in hardware ( 18 ) for calculating a fixed calculation algorithm in coupled function blocks, wherein the calculation kernel is a state machine ( 11 ) and operation blocks ( 13 . 14 ), wherein the state machine ( 11 ) predetermines the arithmetic operation for calculating the neuron layer of the multi-layer perceptron model and the at least one further data-based function model, wherein the state machine ( 11 ) is further configured to select, before the calculation of the neuron layer of the perceptron model or the calculation of the at least one further data-based function model, an input transformation of input variables and / or after the calculation of the neuron layer of the perceptron model or the calculation of the at least one further data-based function model an output transformation of output variables make. Modellberechnungseinheit (22) nach Anspruch 1, wobei der Rechenkern (18) ausgebildet ist, um für eine Neuronenschicht eines mehrschichtigen Perzeptronenmodells mit einer Anzahl von Neuronen (20) abhängig von einer oder mehreren Eingangsgrößen eines Eingangsgrößenvektors (ut), von einer Gewichtungsmatrix mit Gewichtungsfaktoren (vj,k) und einen für jedes Neuron (20) vorgegebenen Offsetwert eine Ausgangsgröße (y[j]) für jedes Neuron (20) zu berechnen, wobei für jedes Neuron (20) eine Summe der mit einem durch das Neuron (20) und die Eingangsgröße bestimmten Gewichtungsfaktor (vj,k) gewichteten Werte der Eingangsgrößen mit dem dem Neuron (20) vorgegebenen Offsetwert beaufschlagt wird und das Ergebnis mit einer Aktivierungsfunktion (act) transformiert wird, um die Ausgangsgröße (y[j]) für das Neuron (20) zu erhalten. Model calculation unit ( 22 ) according to claim 1, wherein the arithmetic kernel ( 18 ) is adapted to be used for a neuron layer of a multilayer perceptron model with a number of neurons ( 20 ) depending on one or more input variables of an input variable vector (ut), of a weighting matrix with weighting factors (v j, k ) and one for each neuron ( 20 ) has an output variable (y [j]) for each neuron ( 20 ), where for each neuron ( 20 ) a sum of the one by the neuron ( 20 ) and the input quantity determined weighting factor (v j, k ) weighted values of the input quantities with the neuron ( 20 ) is applied and the result is transformed with an activation function (act) in order to determine the output quantity (y [j]) for the neuron ( 20 ) to obtain. Modellberechnungseinheit (22) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zustandsmaschine (11) weiterhin ausgebildet ist, um auswählbar vor der Berechnung der Neuronenschicht des Perzeptronenmodells oder der Berechnung des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells einen Kopiervorgang der Eingangsgrößen in einen weiteren Speicherbereich und/oder nach der Berechnung der Neuronenschicht des Perzeptronenmodells oder der Berechnung des mindestens einen weiteren datenbasierten Funktionsmodells einen Kopiervorgang der Ausgangsgrößen in einen weiteren Speicherbereich vorzunehmen. Model calculation unit ( 22 ) according to claim 1 or 2, wherein the state machine ( 11 ) is further configured to be selectable before the calculation of the neuron layer of the perceptron model or the calculation of the at least one further data-based function model, a copying process of the input variables in a further memory area and / or after the calculation of the neuron layer of the perceptron model or the calculation of the at least one further data-based function model make a copy of the output variables in another memory area. Modellberechnungseinheit (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rechenkern ausgebildet ist, um abhängig von einer Auswahlgröße (cfg_activation_function) eine Art der Aktivierungsfunktion für das mehrschichtigen Perzeptronenmodells auszuwählen und/oder mithilfe einer weiteren Auswahlgröße auswählen, ob ein Gaußprozessmodell bzw. ein RBF-Modell oder eine Neuronenschicht des Perzeptronenmodells berechnet werden soll.Model calculation unit ( 22 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the arithmetic kernel is designed to select a type of activation function for the multilayer perceptron model depending on a selection variable (cfg_activation_function) and / or to select with the aid of a further selection variable whether a Gaussian process model or an RBF model or a neuron layer of the perceptron model is to be calculated. Modellberechnungseinheit (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Rechenkern in einem Flächenbereich eines integrierten Bausteins ausgebildet ist.Model calculation unit ( 22 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the arithmetic core is formed in a surface area of an integrated module. Verfahren zum Betreiben einer Modellberechnungseinheit (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei abhängig von einer Berechnung der Neuronenschicht des Perzeptronenmodells und/oder abhängig von einer Auswahlvariablen die Eingangstransformation von Eingangsgrößen und/oder die Ausgangstransformation von Ausgangsgrößen übersprungen wird. Method for operating a model calculation unit ( 22 ) according to one of claims 1 to 5, wherein depending on a calculation of the neuron layer of the perceptron model and / or depending on a selection variable, the input transformation of input variables and / or the output transformation of output variables is skipped. Steuergerät mit einem Mikroprozessor und einer oder mehreren Modellberechnungseinheiten nach einem der Ansprüche 1 bis 5.Control unit with a microprocessor and one or more model calculation units according to one of claims 1 to 5. Steuergerät nach Anspruch 7, wobei das Steuergerät (2) als eine integrierte Schaltung ausgebildet ist.Control unit according to claim 7, wherein the control unit ( 2 ) is formed as an integrated circuit. Verwendung des Steuergeräts nach Anspruch 7 oder 8 als ein Steuergerät zur Steuerung eines Motorsystems (1) in einem Kraftfahrzeug. Use of the control device according to claim 7 or 8 as a control device for controlling an engine system ( 1 ) in a motor vehicle.
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