基于Parzen窗的手動(dòng)變速器擋位識(shí)別方法研究

童榮輝+朱翔宇+湯偉

摘 要：針對(duì)手動(dòng)擋車輛在運(yùn)行過程中無擋位傳感器的情況下?lián)跷恍盘?hào)無法識(shí)別獲取的問題，通過對(duì)多次整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)讀取CAN總線里面的速比信息，然后基于直方圖計(jì)算各速比范圍信號(hào)出現(xiàn)的頻率，并以此確定擋位數(shù)目和速比的大小范圍，再利用Parzen窗函數(shù)的方法獲取各擋位的實(shí)際速比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擋位信號(hào)精準(zhǔn)的識(shí)別。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用Parzen窗的擋位識(shí)別方法能夠識(shí)別出擋位信號(hào)。對(duì)比Parzen窗獲取的擋位識(shí)別信息與擋位信號(hào)傳感器直接獲取的擋位信息，發(fā)現(xiàn)兩者的相似度很高，這也驗(yàn)證了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。該方法提供了整車運(yùn)行過程中一種擋位識(shí)別的新方式。

關(guān)鍵詞：手動(dòng)變速器；擋位識(shí)別；Parzen窗；CRUISE

中圖分類號(hào)：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.10

Abstract：During operation a manual transmission vehicle could not obtain the gear position signal without installing the corresponding sensors. This paper analyzed the whole vehicle experiments on the drum tester， read the gear ratio information through CAN bus， then calculated the frequency of each speed ratio signal to determine the number of gear ratios and the range of speed ratio based on the histogram， and the actual speed ratio could be obtained by using the Parzen window function method， which ultimately achieved the accurate identification of the gear position signal. The gear position information acquired by using the Parzen window method agrees well with that obtained directly from the sensor. The comparison verifies the feasibility and accuracy of the method and the paper provides a new method for gear position identification.

Keywords：manual transmission； gear calibration； Parzen window； CRUISE

某些手動(dòng)擋車型在運(yùn)行及測(cè)試過程中，其擋位在未配置擋位傳感器的情況下，存在不能獲取并識(shí)別擋位信號(hào)的問題，對(duì)后續(xù)分析其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、駕駛性以及油耗帶來了困難。因此，如何對(duì)未配置擋位傳感器的車型進(jìn)行擋位識(shí)別，并獲取擋位數(shù)據(jù)信號(hào)，是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的問題。

關(guān)于擋位識(shí)別標(biāo)定問題，宋超等[1]基于角度傳感器提供了一種用于混合動(dòng)力汽車的6擋AMT擋位識(shí)別標(biāo)定方法來標(biāo)定混動(dòng)車型。閆鑫等[2]公開了一種挖掘機(jī)擋位自動(dòng)識(shí)別標(biāo)定的控制方法，減少了人員勞動(dòng)量，縮短標(biāo)定時(shí)間，提高了標(biāo)定準(zhǔn)確性。一些研究人員還對(duì)手動(dòng)換擋性能進(jìn)行了性能測(cè)試和擋位數(shù)據(jù)的處理[3-6]。時(shí)召喜[7]對(duì)轎車手動(dòng)變速器的換擋舒適性進(jìn)行了優(yōu)化研究。楊士欽等[8]提出了一種乘用車手動(dòng)變速器動(dòng)態(tài)換擋性能評(píng)價(jià)方法及改進(jìn)策略。李興宇[9]對(duì)手動(dòng)變速器換擋性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了分析。上述研究需借助擋位傳感器來識(shí)別并獲取擋位信號(hào)，并且其采用的標(biāo)定識(shí)別方法較復(fù)雜，局限性也較大。

通過對(duì)多次整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息可以確定變速器擋位的信息。按照新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）工況的要求設(shè)定換擋邊界條件來獲得擋位信號(hào)，然后在Parzen窗法中選取合適的概率密度函數(shù)對(duì)各擋位的速比求解，實(shí)現(xiàn)無擋位傳感器情況下的擋位識(shí)別。通過對(duì)比無擋位傳感器和有擋位傳感器的手動(dòng)擋車型，驗(yàn)證了該種方法的可行性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手動(dòng)擋車型在未安裝擋位傳感器情況下?lián)跷恍盘?hào)的準(zhǔn)確獲取及識(shí)別。

1 方法描述

整車NEDC油耗及排放轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)下的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)可以通過CAN總線獲取。手動(dòng)擋車在換擋過程中離合器處于接合狀態(tài)后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速滿足一定關(guān)系。在實(shí)際工況中，離合器大部分時(shí)間處于滑摩狀態(tài)，這種現(xiàn)象使車速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的比值不斷變化，即實(shí)際傳動(dòng)比不斷變化，傳動(dòng)比變化過程如圖1所示。雖然滑摩時(shí)傳動(dòng)比在不斷變化，但換擋待完成時(shí)，離合器接合，傳動(dòng)比會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為變速器每一擋傳動(dòng)比的值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)中出現(xiàn)次數(shù)最多的值為該傳動(dòng)比的值。因此，可以構(gòu)建一個(gè)關(guān)于在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)下傳動(dòng)比的概率密度函數(shù)，所求函數(shù)極值點(diǎn)即為各擋傳動(dòng)比的值。

1.1 Parzen窗法求解

常用的概率密度函數(shù)估計(jì)的方法主要包含三大類[10]：參概率密度函數(shù)估計(jì)法、無參概率密度函數(shù)估計(jì)法以及半?yún)⒏怕拭芏群瘮?shù)估計(jì)法。對(duì)比三類估計(jì)特征[11]，傳動(dòng)比的估計(jì)問題屬于典型的無參數(shù)概率密度函數(shù)估計(jì)，而無參概率密度函數(shù)常見的解法有：Parzen窗法（核函數(shù)）、直方圖、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。直方圖密度函數(shù)的求解精度差，僅適用于小樣本概率密度函數(shù)的估計(jì)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然能很好地求解出概率密度函數(shù)，但其求解效率不高；核函數(shù)法可以很好地獲取精度較高的密度估計(jì)。因此，在Parzen窗法中選取合適的概率密度函數(shù)來求解試驗(yàn)工況下的傳動(dòng)比。

常見的核函數(shù)[12]有：均方核、三角核、二次核、四次核、六次核、高斯核、余弦核，見表1。

1.2 窗函數(shù)法求解擋位速比

通常乘用車變速器各擋位的速比確定接近于等比數(shù)列的原則[13]。為了更好地區(qū)分開各擋位的速比，先對(duì)速比求兩次自然對(duì)數(shù)，但由于NEDC工況的時(shí)間高達(dá)1 180 s[14]，根據(jù)所需采樣頻率20 Hz的要求，執(zhí)行NEDC工況往往會(huì)造成獲取的樣本空間數(shù)量過大，兩次自然對(duì)數(shù)的處理方法只能得到多曲率變化和不明顯的極點(diǎn)，很難判斷擋位數(shù)目和速比大小。因此，采用基于直方圖的方法計(jì)算各速比范圍信號(hào)出現(xiàn)的頻率，以此來確定擋位數(shù)目和速比的大小范圍，然后再利用窗函數(shù)法求解概率密度函數(shù)，最后通過概率密度函數(shù)求解各擋位的實(shí)際速比，其求解流程如圖2所示。根據(jù)車速信號(hào)ua，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)n和車輪半徑值r的信息，求出傳動(dòng)比信號(hào)i；再對(duì)速比信號(hào)i取兩次自然對(duì)數(shù)，得到信號(hào)x，；然后對(duì)信號(hào)x進(jìn)行直方圖繪制，確定擋位的數(shù)目和各擋傳動(dòng)比的大小范圍；利用窗函數(shù)求解信號(hào) ，并根據(jù)步驟3求出的傳動(dòng)比范圍，找出該區(qū)間內(nèi)窗函數(shù)的極大值對(duì)應(yīng)的信號(hào)xi；最后對(duì)xi進(jìn)行指數(shù)運(yùn)算，得到的Ii即為每個(gè)擋位的傳動(dòng)比。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 對(duì)擋位信號(hào)進(jìn)行求解

參考國標(biāo)，利用CRUISE仿真軟件仿真得到手動(dòng)擋車輛在NEDC工況下的換擋曲線，如圖3所示。同時(shí)，兼顧駕駛員在駕駛自動(dòng)擋車輛進(jìn)行NEDC試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際換擋情況，設(shè)定換擋邊界條件如下：

（1）汽車必須是通過1擋起步。

（2）換擋過程有一定的時(shí)間跨度，通常換擋時(shí)間為0.6～1.5 s，因此，假定換擋的時(shí)間跨度為1 s。

（3）升擋必須是個(gè)連續(xù)的過程，即不允許發(fā)生跳擋現(xiàn)象。

2.2 擋位速比求解

在NEDC工況下對(duì)某款無擋位信號(hào)傳感器的手動(dòng)擋車型進(jìn)行試驗(yàn)。具體方法為：通過輪胎半徑、車速型號(hào)以及轉(zhuǎn)速信息求出相應(yīng)的速比信息，基于速比信息與上文求解的速比進(jìn)行依次比較，初步求解出擋位信號(hào)。圖4為利用表1中7種窗函數(shù)分別求解出來的概率密度函數(shù)以及直方圖。表2為各核函數(shù)求解出來的速比誤差，從表中能夠看出采用不同的核函數(shù)在1～6擋的誤差值，對(duì)比各擋誤差發(fā)現(xiàn)無論是單一擋位誤差還是累計(jì)擋位誤差，四次窗求解速比的精度最高，二次窗次之，方窗求解的誤差最大。因此，本文選用基于四次窗求解速比的概率密度函數(shù)，進(jìn)而求解各擋位的速比。

2.3 車型對(duì)比

通過將某款無擋位傳感器的手動(dòng)擋車型與帶有擋位傳感器的車型進(jìn)行對(duì)比，來測(cè)試Parzen窗標(biāo)定識(shí)別算法的可行性和準(zhǔn)確性。圖5為變速器實(shí)際擋位和通過MT擋位標(biāo)定算法求解的擋位信號(hào)對(duì)比圖。圖5中紅色的線表示通過擋位傳感器獲取的變速器實(shí)際擋位信號(hào)，藍(lán)線表示通過Parzen窗算法標(biāo)定識(shí)別的擋位信號(hào)。由圖5可知，兩條擋位信號(hào)線能夠較好地重疊在一起。Parzen窗算法求解出來的擋位信號(hào)與擋位傳感器獲取的換擋信號(hào)相比，具有較高的一致性，但由圖5可知，幾處換擋點(diǎn)的換擋時(shí)間仍存在一定的誤差。從對(duì)比試驗(yàn)整體來看，該種方法能夠?qū)崿F(xiàn)在無擋位傳感器條件下對(duì)擋位信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定識(shí)別。對(duì)比結(jié)果表明，通過Parzen算法對(duì)手動(dòng)擋車輛在無擋位傳感器的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)精度較高的擋位信號(hào)的識(shí)別和獲取，該方法是一種可行的識(shí)別擋位信號(hào)的方法。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)無擋位傳感器的手動(dòng)擋車型，提出了一種基于Parzen窗的概率識(shí)別擋位信號(hào)的方法。通過讀取CAN里面的速比，基于直方圖計(jì)算各速比范圍信號(hào)出現(xiàn)的頻率，以此來確定擋位數(shù)目和速比的大小范圍，再利用窗函數(shù)的方法求解概率密度函數(shù)，最后采用Parzen窗的概率密度函數(shù)求解各擋位的實(shí)際速比，精準(zhǔn)地識(shí)別擋位信號(hào)。

（2）利用CRUISE軟件仿真得到手動(dòng)擋車輛在NEDC工況下的換擋曲線，并兼顧駕駛員在駕駛自動(dòng)擋車輛進(jìn)行NEDC試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際換擋情況，制定了換擋邊界條件。對(duì)比不帶擋位傳感器和帶有擋位傳感器的手動(dòng)擋車型，結(jié)果表明，利用Parzen窗方法能夠較為準(zhǔn)確地識(shí)別擋位信號(hào)，驗(yàn)證了Parzen窗方法的可行性和準(zhǔn)確性。

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