用于集成控制組件的用于計(jì)算lolimot的模型計(jì)算單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有模型計(jì)算單元的集成控制組件，在所述模型計(jì)算單元中可以按硬 件方式計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型。
【背景技術(shù)】
[0002] 從現(xiàn)有技術(shù)中已知具有集成控制組件的控制設(shè)備，所述集成控制組件具有主計(jì)算 單元和單獨(dú)的用于計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的模型計(jì)算單元。
[0003] 因此，例如文獻(xiàn)DE10 2010 028 266A1示出了具有主計(jì)算單元、存儲(chǔ)器單元和作 為模型計(jì)算單元的附加邏輯電路的集成控制組件，所述模型計(jì)算單元被構(gòu)造用于純基于硬 件地計(jì)算指數(shù)函數(shù)序列以及加法和乘法運(yùn)算。這使得能夠通過集成控制組件中的硬件單元 來支持尤其是為了計(jì)算高斯過程模型所需的貝葉斯回歸方法的計(jì)算。
[0004] 模型計(jì)算單元總的來說被設(shè)計(jì)用于執(zhí)行用于基于所提供的超參數(shù)和網(wǎng)格點(diǎn)或訓(xùn) 練數(shù)據(jù)來計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的數(shù)學(xué)過程。尤其是，模型計(jì)算單元的功能為了高效地 計(jì)算指數(shù)函數(shù)和求和函數(shù)而僅僅以硬件來實(shí)現(xiàn)，使得能夠與在軟件控制的主計(jì)算單元中所 能進(jìn)行的相比以明顯更高的計(jì)算速度來計(jì)算高斯過程模型。
[0005] 在用于用在機(jī)動(dòng)車輛的控制設(shè)備中的集成控制組件中，除了基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型 以外，對(duì)另外的計(jì)算密集函數(shù)的計(jì)算也是重要的。因此，對(duì)于一些任務(wù)設(shè)置，感興趣的還有 L0UM0T (LQcal Linear腿del Iree (局部線性模型樹））模型的評(píng)估。L0UM0T模型使 用高斯加權(quán)函數(shù)，所述高斯加權(quán)函數(shù)類似于用于分析基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、尤其是高斯過 程模型的函數(shù)。L0LIM0T模型例如在0? Nelles、S. Sinsel、R. Isermann的文獻(xiàn)UKACC International Conference on Control (1996)中予以了描述。由于常規(guī)的以硬件實(shí)現(xiàn)的 用于計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的功能不完全適于計(jì)算L0LIM0T模型，因此所期望的是匹配 集成控制組件、尤其是在那里設(shè)置的模型計(jì)算單元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本發(fā)明，規(guī)定一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于集成控制組件的模型計(jì)算單元 以及一種根據(jù)并列獨(dú)立權(quán)利要求所述的集成控制組件。
[0007] 另外的擴(kuò)展方案在從屬權(quán)利要求中予以說明。
[0008] 根據(jù)第一方面，規(guī)定一種用于集成控制組件的模型計(jì)算單元，該集成控制組件通 過純按硬件方式的實(shí)現(xiàn)而配備有至少一個(gè)內(nèi)部或外部循環(huán)中的指數(shù)函數(shù)、求和函數(shù)和乘法 函數(shù)，以便計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、尤其是高斯過程模型，其中模型計(jì)算單元還被構(gòu)造為 計(jì)算包含多個(gè)局部部分模型的L0UM0T模型。
[0009] 通過在集成存儲(chǔ)器組件中的也被設(shè)計(jì)用于計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、尤其是高斯 過程模型的模型計(jì)算單元中基于硬件地計(jì)算L0LIM0T模型的可能性，使得能夠基于硬件地 在共同的模型計(jì)算單元中執(zhí)行基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型以及L0LIM0T模型的計(jì)算。由此，可以 利用僅僅一個(gè)計(jì)算單元來計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型以及L0LIM0T模型，這與借助于軟件算 法的分析相比可以明顯更快地執(zhí)行。
[0010] 此外，模型計(jì)算單元可以被構(gòu)造為分別為了計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型而使用全局 有效的預(yù)先給定的長(zhǎng)度尺度（Lengthscale)、以及為了計(jì)算L0LIM0T模型而為每個(gè)維度使 用自己的長(zhǎng)度尺度。
[0011] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，可以分別用預(yù)先給定的網(wǎng)格點(diǎn)來計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、 以及用局部函數(shù)的中心來計(jì)算L0LIM0T模型，其中模型計(jì)算單元被構(gòu)造為將網(wǎng)格點(diǎn)和中心 以相同方式用于內(nèi)部循環(huán)之一中的計(jì)算。
[0012] 可以規(guī)定：將模型計(jì)算單元構(gòu)造為在計(jì)算L0LIM0T模型的情況下把在內(nèi)部循環(huán)中 計(jì)算的指數(shù)函數(shù)的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化。
[0013] 此外，可以將模型計(jì)算單元構(gòu)造為在計(jì)算L0LIM0T模型的情況下將指數(shù)函數(shù)的結(jié) 果與可為每個(gè)局部部分模型的每個(gè)查詢點(diǎn)確定的權(quán)重相乘。
[0014] 另外，可以將模型計(jì)算單元構(gòu)造為在計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的情況下將指數(shù)函 數(shù)的結(jié)果與每網(wǎng)格點(diǎn)的預(yù)先給定的權(quán)重相乘。
[0015] 尤其是可以將模型計(jì)算單元構(gòu)造為在計(jì)算L0UM0T模型的情況下僅僅線性地、僅 僅非線性地或者線性和非線性地考慮輸入維度。
[0016] 根據(jù)另一方面，設(shè)置具有軟件控制的主計(jì)算單元和上面的模型計(jì)算單元的集成控 制組件。
[0017] 可以將模型計(jì)算單元構(gòu)造為在計(jì)算L0LIM0T模型的情況下將應(yīng)用指數(shù)函數(shù)的中 間結(jié)果相加并且將返回值除以中間結(jié)果之和。
[0018] 根據(jù)另一方面，設(shè)置具有軟件控制的主計(jì)算單元和上面的模型計(jì)算單元的集成控 制組件，其中主計(jì)算單元將模型計(jì)算單元運(yùn)行為使得除以中間結(jié)果之和的除法由要么模型 計(jì)算單元中的、要么主計(jì)算單元中的逼近函數(shù)來執(zhí)行。
【附圖說明】
[0019] 下面根據(jù)附圖進(jìn)一步闡述實(shí)施方式。其中： 圖1示出了具有模型計(jì)算單元的集成存儲(chǔ)器組件的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 圖1示出了用于例如微控制器形式的集成控制組件1的硬件架構(gòu)的示意圖，在所 述集成控制組件1中以集成方式設(shè)置有軟件控制的主計(jì)算單元2以及用于純基于硬件地計(jì) 算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型和L0UM0T模型的模型計(jì)算單元3。主計(jì)算單元2和模型計(jì)算單元 3通過諸如系統(tǒng)總線的內(nèi)部通信連接4彼此通信連接。
[0021] 原則上，模型計(jì)算單元3基本上為硬布線的，并且因此不像主計(jì)算單元2那樣被構(gòu) 造用于實(shí)施軟件代碼?？商娲兀环N解決方案是可能的，其中模型計(jì)算單元3為了計(jì)算基 于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型或L0LIM0T模型而提供受限的高度專用的指令集。在模型計(jì)算單元3中 未設(shè)置處理器。這實(shí)現(xiàn)了這樣的模型計(jì)算單元3的資源優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)或以集成構(gòu)造方式的面 積優(yōu)化的構(gòu)造。
[0022] 模型計(jì)算單元3具有計(jì)算核31，該計(jì)算核31純粹以硬件實(shí)現(xiàn)預(yù)先給定的算法的計(jì) 算。計(jì)算核31與中斷單元32連接，該中斷單元32在存在中斷條件時(shí)用信號(hào)通知算法的計(jì) 算的中斷。模型計(jì)算單元3此外可以包括用于存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)的本地SRAM 33。模型計(jì)算單 元3同樣可以包括本地DMA單元34 (DMA=Direct Memory Access (直接存儲(chǔ)器訪問））。借 助于DMA單元34,可以訪問控制組件1的集成資源、尤其是訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器5。
[0023] 控制組件1可以包括內(nèi)部存儲(chǔ)器5和另外的DMA單元6 (DMA=Direct Memory Access (直接存儲(chǔ)器訪問））。內(nèi)部存儲(chǔ)器5和另外的DMA單元6以合適方式、例如通過內(nèi) 部通信連接4彼此連接。內(nèi)部存儲(chǔ)器5可以包括(對(duì)于主計(jì)算單元2、模型計(jì)算單元3以及 必要時(shí)另外的單元來說）共同的SRAM存儲(chǔ)器和用于配置數(shù)據(jù)（參數(shù)和網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)）的閃速 存儲(chǔ)器。
[0024] 非參數(shù)性的基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的使用基于貝葉斯回歸方法。貝葉斯回歸的基 礎(chǔ)例如在 C. E. Rasmussen 等人的 "Gaussian Processes for Machine Learning"（MIT Press 2006)中予以了描述。貝葉斯回歸是一種基于數(shù)據(jù)的方法，該方法基于模型。為了 創(chuàng)建該模型，需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)的測(cè)量點(diǎn)以及要建模的輸出參量的相關(guān)輸出數(shù)據(jù)。模型的創(chuàng)建 根據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)的使用來進(jìn)行，所述網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)完全或部分地對(duì)應(yīng)于訓(xùn)練數(shù)據(jù)或從其中生 成。此外，確定抽象的超參數(shù)，所述超參數(shù)將模型函數(shù)的空間參數(shù)化并且有效地對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù) 的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)之后的模型預(yù)測(cè)的影響進(jìn)行加權(quán)。
[0025] 抽象的超參數(shù)通過優(yōu)化方法來確定。這樣的優(yōu)化方法的一種可能性在于優(yōu)化邊緣 似然性p|Y|H,X)。邊緣似然性p{Y|H,X)描述了在給定模型參數(shù)H和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的x值的情況下 訓(xùn)練數(shù)據(jù)的所測(cè)量的y值(表示為矢量Y)的可信性。在模型訓(xùn)練中，通過尋找合適的超參 數(shù)將p{Y|H,X)最大化，所述超參數(shù)導(dǎo)致由超參數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)確定的模型函數(shù)的變化曲線并 且盡可能精確地映射訓(xùn)練數(shù)據(jù)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將P(Y|H,X)的對(duì)數(shù)最大化，因?yàn)閷?duì)數(shù)不改變 可信性函數(shù)的連續(xù)性。
[0026] 為了計(jì)算高斯過程模型，首先將針對(duì)測(cè)試點(diǎn)B (輸入?yún)⒘渴噶浚┑妮斎胫礽|標(biāo)準(zhǔn) 化，具體而言根據(jù)下面的公式：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 用于集成控制組件（1)的模型計(jì)算單元（3 )，所述集成控制組件（1)通過純粹基于硬 件的實(shí)現(xiàn)配備有至少一個(gè)內(nèi)部循環(huán)和外部循環(huán)中的指數(shù)函數(shù)、求和函數(shù)和乘法函數(shù)，W便 計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、尤其是高斯過程模型，其中模型計(jì)算單元（3)還被構(gòu)造為計(jì)算包 含多個(gè)局部部分模型的LOLIMOT模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模型計(jì)算單元（3)，其中模型計(jì)算單元（3)被構(gòu)造為分別為 了計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型而使用全局有效的預(yù)先給定的長(zhǎng)度尺度W及為了計(jì)算LOLIMOT 模型而為每個(gè)維度使用自己的長(zhǎng)度尺度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模型計(jì)算單元（3)，其中能分別用預(yù)先給定的網(wǎng)格點(diǎn)來 計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型W及能用局部函數(shù)的中也來計(jì)算LOLIMOT模型，其中模型計(jì)算單 元（3)被構(gòu)造為將網(wǎng)格點(diǎn)和中也W相同方式用于內(nèi)部循環(huán)之一中的計(jì)算。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的模型計(jì)算單元（3)，其中模型計(jì)算單元（3)被構(gòu)造為在計(jì)算 LOLIMOT模型的情況下將在內(nèi)部循環(huán)中所計(jì)算的指數(shù)函數(shù)的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的模型計(jì)算單元（3)，其中模型計(jì)算單元（3)被構(gòu)造為在計(jì)算 LOLIMOT模型的情況下將指數(shù)函數(shù)的結(jié)果與能為每個(gè)局部部分模型的每個(gè)查詢點(diǎn)確定的權(quán) 重相乘。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的模型計(jì)算單元（3)，其中模型計(jì)算單元（3)被構(gòu)造為 在計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的情況下將指數(shù)函數(shù)的結(jié)果與每網(wǎng)格點(diǎn)的預(yù)先給定的權(quán)重相 乘。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的模型計(jì)算單元（3)，其中模型計(jì)算單元（3)被構(gòu)造為 在計(jì)算LOLIMOT模型的情況下將應(yīng)用指數(shù)函數(shù)的中間結(jié)果相加并且將返回值除W中間結(jié) 果之和。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的模型計(jì)算單元（3)，其中模型計(jì)算單元（3)被構(gòu)造為 在計(jì)算LOLIMOT模型的情況下僅僅線性地、僅僅非線性地或者線性和非線性地考慮輸入維 度。
9. 具有軟件控制的主計(jì)算單元（2)和根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的模型計(jì)算單元 (3)的集成控制組件（1)。
10. 具有軟件控制的主計(jì)算單元（2)和根據(jù)權(quán)利要求7所述的模型計(jì)算單元（3)的集 成控制組件（1)，其中主計(jì)算單元（2)將模型計(jì)算單元（3)運(yùn)行為使得除W中間結(jié)果的除法 由要么在模型計(jì)算單元（3)中的、要么在主計(jì)算單元（2)中的逼近函數(shù)來執(zhí)行。
【專利摘要】用于集成控制組件的用于計(jì)算LOLIMOT的模型計(jì)算單元。本發(fā)明涉及一種用于集成控制組件（1）的模型計(jì)算單元（3），所述集成控制組件（1）通過純粹基于硬件的實(shí)現(xiàn)配備有至少一個(gè)內(nèi)部循環(huán)和外部循環(huán)中的指數(shù)函數(shù)、求和函數(shù)和乘法函數(shù)，以便計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、尤其是高斯過程模型，其中模型計(jì)算單元（3）還被構(gòu)造為計(jì)算包含多個(gè)局部部分模型的LOLIMOT模型。
【IPC分類】G05B17-02, G06N7-00
【公開號(hào)】CN104573822
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410526170
【發(fā)明人】M.漢澤爾曼, H.馬克特, A.馮韋廷霍夫, A.根托羅
【申請(qǐng)人】羅伯特·博世有限公司
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年10月9日
【公告號(hào)】DE102013220432A1