基于Parzen窗的手動變速器擋位識別方法研究

童榮輝+朱翔宇+湯偉

摘 要：針對手動擋車輛在運行過程中無擋位傳感器的情況下擋位信號無法識別獲取的問題，通過對多次整車轉鼓試驗進行分析，發現讀取CAN總線里面的速比信息，然后基于直方圖計算各速比范圍信號出現的頻率，并以此確定擋位數目和速比的大小范圍，再利用Parzen窗函數的方法獲取各擋位的實際速比，可以實現對擋位信號精準的識別。試驗結果表明，采用Parzen窗的擋位識別方法能夠識別出擋位信號。對比Parzen窗獲取的擋位識別信息與擋位信號傳感器直接獲取的擋位信息，發現兩者的相似度很高，這也驗證了該方法的可行性和準確性。該方法提供了整車運行過程中一種擋位識別的新方式。

關鍵詞：手動變速器；擋位識別；Parzen窗；CRUISE

中圖分類號：U463.212 文獻標文獻標識碼：A文獻標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

某些手動擋車型在運行及測試過程中，其擋位在未配置擋位傳感器的情況下，存在不能獲取并識別擋位信號的問題，對后續分析其動力性、經濟性、駕駛性以及油耗帶來了困難。因此，如何對未配置擋位傳感器的車型進行擋位識別，并獲取擋位數據信號，是一個值得進一步研究的問題。

關于擋位識別標定問題，宋超等[1]基于角度傳感器提供了一種用于混合動力汽車的6擋AMT擋位識別標定方法來標定混動車型。閆鑫等[2]公開了一種挖掘機擋位自動識別標定的控制方法，減少了人員勞動量，縮短標定時間，提高了標定準確性。一些研究人員還對手動換擋性能進行了性能測試和擋位數據的處理[3-6]。時召喜[7]對轎車手動變速器的換擋舒適性進行了優化研究。楊士欽等[8]提出了一種乘用車手動變速器動態換擋性能評價方法及改進策略。李興宇[9]對手動變速器換擋性能評價方法進行了分析。上述研究需借助擋位傳感器來識別并獲取擋位信號，并且其采用的標定識別方法較復雜，局限性也較大。

通過對多次整車轉鼓試驗結果進行分析，發現根據車速和發動機轉速信息可以確定變速器擋位的信息。按照新歐洲標準行駛循環（New European Driving Cycle，NEDC）工況的要求設定換擋邊界條件來獲得擋位信號，然后在Parzen窗法中選取合適的概率密度函數對各擋位的速比求解，實現無擋位傳感器情況下的擋位識別。通過對比無擋位傳感器和有擋位傳感器的手動擋車型，驗證了該種方法的可行性，實現了對手動擋車型在未安裝擋位傳感器情況下擋位信號的準確獲取及識別。

1 方法描述

整車NEDC油耗及排放轉鼓試驗下的車速和發動機轉速信號可以通過CAN總線獲取。手動擋車在換擋過程中離合器處于接合狀態后，發動機轉速和車速滿足一定關系。在實際工況中，離合器大部分時間處于滑摩狀態，這種現象使車速與發動機轉速的比值不斷變化，即實際傳動比不斷變化，傳動比變化過程如圖1所示。雖然滑摩時傳動比在不斷變化，但換擋待完成時，離合器接合，傳動比會在一定時間內處于穩定狀態，表現為變速器每一擋傳動比的值在一定范圍內波動，波動中出現次數最多的值為該傳動比的值。因此，可以構建一個關于在轉鼓試驗下傳動比的概率密度函數，所求函數極值點即為各擋傳動比的值。

1.1 Parzen窗法求解

常用的概率密度函數估計的方法主要包含三大類[10]：參概率密度函數估計法、無參概率密度函數估計法以及半參概率密度函數估計法。對比三類估計特征[11]，傳動比的估計問題屬于典型的無參數概率密度函數估計，而無參概率密度函數常見的解法有：Parzen窗法（核函數）、直方圖、神經網絡等。直方圖密度函數的求解精度差，僅適用于小樣本概率密度函數的估計；神經網絡雖然能很好地求解出概率密度函數，但其求解效率不高；核函數法可以很好地獲取精度較高的密度估計。因此，在Parzen窗法中選取合適的概率密度函數來求解試驗工況下的傳動比。

常見的核函數[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列的原則[13]。為了更好地區分開各擋位的速比，先對速比求兩次自然對數，但由于NEDC工況的時間高達1 180 s[14]，根據所需采樣頻率20 Hz的要求，執行NEDC工況往往會造成獲取的樣本空間數量過大，兩次自然對數的處理方法只能得到多曲率變化和不明顯的極點，很難判斷擋位數目和速比大小。因此，采用基于直方圖的方法計算各速比范圍信號出現的頻率，以此來確定擋位數目和速比的大小范圍，然后再利用窗函數法求解概率密度函數，最后通過概率密度函數求解各擋位的實際速比，其求解流程如圖2所示。根據車速信號ua，發動機轉速信號n和車輪半徑值r的信息，求出傳動比信號i；再對速比信號i取兩次自然對數，得到信號x，；然后對信號x進行直方圖繪制，確定擋位的數目和各擋傳動比的大小范圍；利用窗函數求解信號 ，并根據步驟3求出的傳動比范圍，找出該區間內窗函數的極大值對應的信號xi；最后對xi進行指數運算，得到的Ii即為每個擋位的傳動比。

2 試驗驗證

2.1 對擋位信號進行求解

參考國標，利用CRUISE仿真軟件仿真得到手動擋車輛在NEDC工況下的換擋曲線，如圖3所示。同時，兼顧駕駛員在駕駛自動擋車輛進行NEDC試驗時的實際換擋情況，設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間跨度，通常換擋時間為0.6～1.5 s，因此，假定換擋的時間跨度為1 s。

（3）升擋必須是個連續的過程，即不允許發生跳擋現象。

2.2 擋位速比求解

在NEDC工況下對某款無擋位信號傳感器的手動擋車型進行試驗。具體方法為：通過輪胎半徑、車速型號以及轉速信息求出相應的速比信息，基于速比信息與上文求解的速比進行依次比較，初步求解出擋位信號。圖4為利用表1中7種窗函數分別求解出來的概率密度函數以及直方圖。表2為各核函數求解出來的速比誤差，從表中能夠看出采用不同的核函數在1～6擋的誤差值，對比各擋誤差發現無論是單一擋位誤差還是累計擋位誤差，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，進而求解各擋位的速比。

2.3 車型對比

通過將某款無擋位傳感器的手動擋車型與帶有擋位傳感器的車型進行對比，來測試Parzen窗標定識別算法的可行性和準確性。圖5為變速器實際擋位和通過MT擋位標定算法求解的擋位信號對比圖。圖5中紅色的線表示通過擋位傳感器獲取的變速器實際擋位信號，藍線表示通過Parzen窗算法標定識別的擋位信號。由圖5可知，兩條擋位信號線能夠較好地重疊在一起。Parzen窗算法求解出來的擋位信號與擋位傳感器獲取的換擋信號相比，具有較高的一致性，但由圖5可知，幾處換擋點的換擋時間仍存在一定的誤差。從對比試驗整體來看，該種方法能夠實現在無擋位傳感器條件下對擋位信號進行標定識別。對比結果表明，通過Parzen算法對手動擋車輛在無擋位傳感器的情況下能夠實現精度較高的擋位信號的識別和獲取，該方法是一種可行的識別擋位信號的方法。

3 結論

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

（2）利用CRUISE軟件仿真得到手動擋車輛在NEDC工況下的換擋曲線，并兼顧駕駛員在駕駛自動擋車輛進行NEDC試驗時的實際換擋情況，制定了換擋邊界條件。對比不帶擋位傳感器和帶有擋位傳感器的手動擋車型，結果表明，利用Parzen窗方法能夠較為準確地識別擋位信號，驗證了Parzen窗方法的可行性和準確性。

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