劉明周　張　淼　扈　靜　劉正瓊　陳子昂

合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

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汽車(chē)換擋桿操縱力反饋舒適度測(cè)評(píng)方法

劉明周張淼扈靜劉正瓊陳子昂

合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

基于汽車(chē)換擋桿的操縱力反饋特性，提出主客觀結(jié)合的換擋桿操控舒適性測(cè)評(píng)方法，以彌補(bǔ)主觀評(píng)價(jià)的不足。分析汽車(chē)換擋桿操縱力反饋隨操縱位移的變化特征以及駕駛者的個(gè)體差異，分別針對(duì)選擋、進(jìn)擋和退擋過(guò)程提取相對(duì)力反饋極值和相對(duì)操縱剛度作為客觀測(cè)評(píng)指標(biāo)；利用粒子群優(yōu)化算法(PSO)對(duì)前向反饋(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，從而建立面向換擋桿操縱力反饋舒適性的PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)評(píng)模型，用以表征客觀指標(biāo)集與主觀評(píng)分之間的映射關(guān)系；最后，以普通轎車(chē)上應(yīng)用較多的手動(dòng)變速器為例，利用在操控試驗(yàn)中獲取的48組樣本數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(yàn)。結(jié)果表明，應(yīng)用該方法取得了較為準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測(cè)評(píng)效果，能夠?yàn)槠?chē)變速器操控舒適性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

手動(dòng)變速器；換擋桿；力反饋；操控舒適性；PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0　引言

汽車(chē)作為當(dāng)前最為主要的交通工具之一，其操控舒適性與道路交通安全問(wèn)題緊密相關(guān)，日益受到生產(chǎn)廠商的重視[1-2]。作為汽車(chē)傳動(dòng)系的重要組成部分，變速器的性能直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性及安全性。雖然自動(dòng)變速器因其操控簡(jiǎn)便性，成為變速器的技術(shù)潮流和發(fā)展方向，但手動(dòng)變速器具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，且更加符合部分駕駛者對(duì)于駕馭感的需求，因此手動(dòng)變速器依然具有較大市場(chǎng)潛力，其產(chǎn)量在近十年全球輕型車(chē)輛用變速器中一直保持領(lǐng)先[3]。由于手動(dòng)變速器的換擋桿與駕駛者的手掌直接接觸，其設(shè)計(jì)特征直接影響著換擋感受。良好的布局及造型是換擋桿的基本設(shè)計(jì)要求[4]，而對(duì)操控舒適性影響較大的操縱力及其力反饋?zhàn)饔靡仓饾u受到重視[5]。換擋桿的力反饋特性可作為手動(dòng)變速器操控舒適性的一項(xiàng)重要測(cè)評(píng)指標(biāo)。

長(zhǎng)期以來(lái)，汽車(chē)操控性能測(cè)評(píng)主要依靠專(zhuān)業(yè)的評(píng)價(jià)工程師進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)[6]，換擋操控舒適性測(cè)評(píng)也不例外。然而，該方法存在兩個(gè)弊端,一是過(guò)于依賴(lài)主觀感受，對(duì)測(cè)評(píng)者的專(zhuān)業(yè)水平要求較高；二是由于不同的操縱者所采用的操縱方式不同，尤其是不同的發(fā)力方式引起相應(yīng)的力反饋特征差異，使得測(cè)評(píng)結(jié)果因人而異，由小群體測(cè)評(píng)者得到的評(píng)價(jià)結(jié)果不穩(wěn)定。針對(duì)主觀測(cè)評(píng)的不足，有學(xué)者嘗試采用客觀、定量的方法作為主觀、定性測(cè)評(píng)的補(bǔ)充。文獻(xiàn)[7]運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了手動(dòng)變速器換擋過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而利用仿真分析得到換擋力和換擋位移的關(guān)系，并驗(yàn)證了仿真研究方法的可行性，能夠用以輔助試驗(yàn)測(cè)試。文獻(xiàn)[8]采用模糊聚類(lèi)法，基于換擋桿操縱力及其感知強(qiáng)度劃分操控舒適性等級(jí)，該方法確定了操縱過(guò)程中操縱力與作業(yè)強(qiáng)度及感知強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系，但忽略了操縱過(guò)程中力的變化特性。文獻(xiàn)[9]采用自行開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)手動(dòng)變速器換擋性能，并以操作強(qiáng)度、沖量系數(shù)、換擋操縱力極值和斜率差異系數(shù)作為換擋質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用層次分析法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，最終得到換擋質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，該方法對(duì)操縱過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，但未考慮操縱者的差異對(duì)操縱性能評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。駕駛者的體格及行為特征差異對(duì)于其操縱感受及駕駛表現(xiàn)的影響不容忽視，該方面的研究也正在逐步展開(kāi)[10]。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，分析汽車(chē)換擋操縱過(guò)程中操縱力反饋與操縱位移的動(dòng)態(tài)變化特征，結(jié)合操縱者的個(gè)體差異，提取力反饋特征指標(biāo)；進(jìn)而提出了一種換擋桿操控舒適性測(cè)評(píng)方法，即運(yùn)用經(jīng)粒子群優(yōu)化算法改進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法建立力反饋特征指標(biāo)與測(cè)評(píng)者主觀舒適性評(píng)分之間的映射模型；并以輕型車(chē)輛的手動(dòng)變速器換擋桿操縱試驗(yàn)作為實(shí)例，驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。由于操縱力與其力反饋是一對(duì)大小相等、方向相反的相互作用力，測(cè)量操縱力的同時(shí)也是在測(cè)量力反饋，故本文用力反饋特征參數(shù)來(lái)對(duì)操縱力及力反饋特性進(jìn)行統(tǒng)一描述。

1　手動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)及換擋過(guò)程

以廣泛使用的5擋手動(dòng)變速器為例，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。動(dòng)力輸入軸帶動(dòng)主動(dòng)軸及其上的主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，換擋桿通過(guò)軟軸與變速器的撥叉相連，利用撥叉調(diào)整同步器的軸向位置，使從動(dòng)軸與特定擋位的從動(dòng)齒輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由于從動(dòng)齒輪與相對(duì)應(yīng)的主動(dòng)齒輪嚙合，故能夠?qū)崿F(xiàn)不同速比的動(dòng)力輸出。

圖1　5擋手動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)示意圖

在標(biāo)準(zhǔn)的5擋手動(dòng)變速器中，有三組撥叉及其對(duì)應(yīng)的同步器，當(dāng)換擋桿處在空擋位置時(shí)控制3、4擋同步器，前后扳動(dòng)換擋桿，使從動(dòng)軸分別與3擋和4擋從動(dòng)齒輪同步；當(dāng)換擋桿向左扳動(dòng)至左側(cè)限位點(diǎn)時(shí)控制1、2擋同步器，此時(shí)前后扳動(dòng)換擋桿，則使從動(dòng)軸分別與1擋和2擋從動(dòng)齒輪同步；當(dāng)換擋桿向右扳動(dòng)至右側(cè)限位點(diǎn)時(shí)控制5擋、倒擋同步器，此時(shí)前后扳動(dòng)換擋桿，則使從動(dòng)軸分別與5擋和倒擋從動(dòng)齒輪同步。

以空擋和1擋之間的切換為例，換擋過(guò)程主要分為4個(gè)階段，不同階段中力反饋的方向有所差異，但可以近似認(rèn)為在同一階段內(nèi)力反饋的方向不變，且4個(gè)階段中力反饋的方向處在同一水平面內(nèi)。換擋過(guò)程的4個(gè)階段如下。

(1)選擋。即換擋桿從空擋向左移動(dòng)至左側(cè)限位點(diǎn)的過(guò)程，該過(guò)程中力反饋方向向右。

(2)進(jìn)擋。即換擋桿從左側(cè)限位點(diǎn)向前移動(dòng)至1擋擋位的過(guò)程，該過(guò)程中力反饋方向向后。

(3)退擋。即換擋桿從1擋擋位向后移動(dòng)至左側(cè)限位點(diǎn)的過(guò)程，該過(guò)程中力反饋方向向前。

(4)回位。即換擋桿從左側(cè)限位點(diǎn)自動(dòng)回到空擋位置的過(guò)程，該階段不需要操縱者施力，故不考慮力反饋。

空擋和2擋、5擋及倒擋之間的切換與上述過(guò)程相似，只是移動(dòng)及力反饋的方向有所差異。空擋與3擋、4擋之間的切換省去了選擋和回位。其余各擋之間的切換過(guò)程可由上述各階段組合而成。

2　操控舒適性的客觀測(cè)評(píng)指標(biāo)

汽車(chē)的操縱過(guò)程是駕駛者施加一定的力于特定的操控裝置，使其在工作行程范圍內(nèi)產(chǎn)生位移，最終改變汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程。與此同時(shí)，操控裝置的力反饋?zhàn)饔糜谌说氖只蚰_，引起人的操縱感知。力反饋過(guò)小，人對(duì)操控裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知不夠清晰，易產(chǎn)生誤操作，不利于安全駕駛；而力反饋過(guò)大則會(huì)讓人感覺(jué)操縱困難，易疲勞。孟增榮等[11]開(kāi)發(fā)了用于測(cè)試換擋變速手柄操縱力、角位移信號(hào)的檢測(cè)裝置；Kim等[12]研究了汽車(chē)換擋操縱及其力反饋的模擬、測(cè)量方法，為換擋力反饋的研究提供了測(cè)試方法參考。借助試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)，可以對(duì)換擋力反饋和換擋位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而提取力反饋特征指標(biāo)用以客觀度量操控舒適性。

較常采用的測(cè)評(píng)指標(biāo)為力反饋極值和操縱剛度。力反饋極值是操縱過(guò)程中特定時(shí)間或位移區(qū)間內(nèi)所測(cè)的力反饋極大值，代表力反饋的強(qiáng)度；操縱剛度指換擋過(guò)程中力反饋?zhàn)兓c操縱位移變化之比，反映了力反饋的變化趨勢(shì)。

在汽車(chē)換擋操縱過(guò)程中所測(cè)得的力反饋數(shù)據(jù)，一方面受換擋機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)阻力影響；另一方面也與操縱者的施力特點(diǎn)有關(guān)，施力越大，反饋的力越大。操縱者習(xí)慣的施力特點(diǎn)也反映了其對(duì)所承受力反饋的偏好，這也是操控舒適性差異的主要成因。在測(cè)評(píng)換擋操控舒適性時(shí)，需要排除操縱者差異的影響，或是針對(duì)特定的操縱者群體進(jìn)行評(píng)價(jià)，為使不同的操縱者給出的測(cè)評(píng)結(jié)果具有可比性，引入相對(duì)力反饋特征參數(shù)作為測(cè)評(píng)指標(biāo)，具體如下。

(1)相對(duì)力反饋極值。由于不同的操縱者在特定方向上可接受的力反饋極值不同，其偏好的換擋力反饋值也會(huì)有所差異。因此，確定正常操縱過(guò)程中所測(cè)力反饋極值與其在同方向可接受反饋力極值之比，作為相對(duì)力反饋極值。

(2)相對(duì)操縱剛度。由于不同換擋桿的工作行程即最大位移略有差異，且不同的操縱過(guò)程中所測(cè)力反饋極值不同，兩方面差異會(huì)對(duì)試驗(yàn)所測(cè)操縱剛度產(chǎn)生干擾。為消除該影響，確定操縱剛度與平均剛度(即實(shí)測(cè)力反饋極值與行程之比)的比值作為相對(duì)操縱剛度。

分別以選擋、進(jìn)擋和退擋三個(gè)階段中的相對(duì)力反饋極值和相對(duì)操縱剛度作為測(cè)評(píng)換擋桿操縱力反饋舒適性的客觀指標(biāo)，既在一定程度上消除了測(cè)評(píng)者個(gè)體差異的影響，又能夠針對(duì)整個(gè)操縱過(guò)程進(jìn)行全面測(cè)評(píng)。

3　操控舒適性主觀評(píng)分

不同的操縱力反饋特征引起操縱者不同的體驗(yàn)和感受，而這種感受的舒適性水平主要用主觀評(píng)分進(jìn)行描述。目前在汽車(chē)企業(yè)應(yīng)用較為廣泛的操控舒適性主觀評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是由美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)(society of automotive engineers，SAE)制定的十分制評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[13]，見(jiàn)表1。

表1　操控舒適性主觀評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，面向特定的換擋操縱過(guò)程，對(duì)力反饋舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并綜合各階段的換擋過(guò)程評(píng)分，反映整體的換擋操控性能。

4　基于PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)評(píng)模型

4.1基礎(chǔ)模型

如果對(duì)每輛車(chē)的換擋桿都進(jìn)行主觀測(cè)評(píng)，則測(cè)試人員的工作量過(guò)大，且測(cè)評(píng)結(jié)果易受測(cè)試者的體格特征、心理和身體狀態(tài)以及周?chē)h(huán)境因素等諸多因素的影響。因此，有必要構(gòu)建力反饋特征參量與舒適性主觀測(cè)評(píng)結(jié)果的映射模型，從而根據(jù)樣本數(shù)據(jù)測(cè)評(píng)操控舒適性。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neutral network, ANN)是模擬人的大腦神經(jīng)處理信息的一種人工智能算法，能夠?qū)Χ嘟M輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，且具有自學(xué)習(xí)能力，不需要事先知道建模對(duì)象變量的變化特點(diǎn)及其之間的關(guān)系；運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)自身的學(xué)習(xí)功能將多種復(fù)雜信息融入網(wǎng)絡(luò)權(quán)值中，避免了復(fù)雜的關(guān)系模型和公式表達(dá)。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，不少學(xué)者將其引入車(chē)輛的乘駕性能測(cè)評(píng)體系中作為核心建模方法[14-15]。其中，前向反饋(back propagation, BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或它的變異形式[16]。

針對(duì)操控舒適性測(cè)評(píng)的特點(diǎn)，構(gòu)建多輸入、單輸出的單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，輸入層、隱層及輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為R、S、1。

圖2　操縱力反饋舒適度測(cè)評(píng)網(wǎng)絡(luò)模型

該模型具有三個(gè)神經(jīng)元層，即輸入層、隱層和輸出層。以實(shí)際測(cè)量得到的力反饋特征參量作為輸入層神經(jīng)元，以操控舒適性評(píng)分結(jié)果作為輸出層神經(jīng)元。為了兼顧輸入層與輸出層之間的線性與非線性映射關(guān)系，輸入層至隱層之間的傳遞函數(shù)采用雙曲正切函數(shù)，隱層到輸出層之間的傳遞函數(shù)選用線性函數(shù)。

通過(guò)樣本訓(xùn)練，依據(jù)神經(jīng)元的平均絕對(duì)誤差調(diào)整權(quán)值矩陣W12、W23和閾值參數(shù)b12、b23，以輸出達(dá)到理想誤差時(shí)的網(wǎng)絡(luò)模型作為力反饋與操控舒適性之間的映射模型。

4.2模型改進(jìn)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的實(shí)質(zhì)是單點(diǎn)搜索算法，全局搜索能力不佳，存在收斂速度慢、易陷入局部極小的問(wèn)題。PSO是基于群體智能的演化算法，系統(tǒng)初始化為一組隨機(jī)解，利用粒子群追隨最優(yōu)的粒子進(jìn)行搜索，通過(guò)迭代搜尋最優(yōu)值，具有較強(qiáng)的全局搜索能力。因此，利用PSO對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，能夠克服其缺點(diǎn)。

PSO的主要原理是通過(guò)粒子在解空間中不斷更新自己的速度和位置從而使其適應(yīng)度值向全局最優(yōu)解進(jìn)化。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層的連接權(quán)值及閾值編碼成粒子，適應(yīng)度值則為使用該組權(quán)值和閥值時(shí)的網(wǎng)絡(luò)輸出均方誤差。利用粒子速度和位置更新算法迭代搜索最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。即

vi(t+1)=wvi(t)+c1r1(pi(t)-xi(t))+

c2r2(pg(t)-xi(t))

(1)

xi(t+1)=xi(t)+vi(t+1)

(2)

如式(1)所示，根據(jù)粒子i在第t次迭代時(shí)的速度vi(t)以及第t次迭代后的位置vi(t)計(jì)算第t+1次迭代的速度vi(t+1)，進(jìn)而根據(jù)式(2)計(jì)算第t+1次迭代后的位置xi(t+1)。其中，w為慣性權(quán)重系數(shù)，c1、c2為學(xué)習(xí)因子，r1、r2為[0,1]上的隨機(jī)數(shù)，pi(t)為粒子的個(gè)體最優(yōu)解，pg(t)為粒子的全局最優(yōu)解。

5　實(shí)例驗(yàn)證

5.1試驗(yàn)對(duì)象及儀器

以12輛采用5擋手動(dòng)變速器的不同品牌的輕型車(chē)為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其換擋桿進(jìn)行操控舒適性測(cè)評(píng)。選擇被試車(chē)輛時(shí)主要考慮其駕駛艙空間和內(nèi)飾布局特征相似，尤其是換擋桿相對(duì)于駕駛座椅的布局位置相近，以免造成駕駛者的操縱姿態(tài)差異過(guò)大，進(jìn)而對(duì)換擋操縱感受產(chǎn)生過(guò)多影響。

力反饋數(shù)據(jù)采用LSA-A-200NS1換擋桿操縱力傳感器獲取，傳感器上端造型為直徑30mm的圓球，測(cè)量時(shí)利用傳感器代替換擋桿原有的球頭，消除了不同汽車(chē)換擋手柄的造型和材質(zhì)差異對(duì)操縱舒適感的影響。鑒于使用拉線式或拉桿式位移傳感器測(cè)量操縱位移時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的阻力，會(huì)對(duì)力反饋的測(cè)量產(chǎn)生干擾，而換擋桿的運(yùn)動(dòng)是剛體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以依據(jù)桿體方位角的變化量計(jì)算操縱位移，因此，采用固定在桿體上的MPU-6050陀螺儀獲取操縱桿方位角數(shù)據(jù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為位移數(shù)據(jù)。采用16位高精度數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)力反饋和方位角信號(hào)設(shè)定同步采樣率為每秒100次。測(cè)試設(shè)備采用車(chē)載逆變器供電。

圖3　換擋操控試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備

5.2測(cè)評(píng)者

主觀舒適性測(cè)評(píng)結(jié)果是模型訓(xùn)練參數(shù)的重要組成部分，需要由有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)評(píng)者給出較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。聘請(qǐng)4名體格不同的專(zhuān)業(yè)評(píng)價(jià)工程師擔(dān)任測(cè)評(píng)者，均為男性。試驗(yàn)前先測(cè)量各位測(cè)評(píng)者在駕駛坐姿下前、后、左、右四個(gè)方向上可接受的最大操縱力反饋值，即在向后、向前、向右、向左扳動(dòng)換擋桿時(shí)所能接受的最大持續(xù)發(fā)力值。各位測(cè)評(píng)者的年齡、身高、體重和可接受力反饋極值見(jiàn)表2。

表2　測(cè)評(píng)者個(gè)體特征

測(cè)評(píng)者在測(cè)試前手部需潔凈、干燥，且手掌表面溫度不能過(guò)低，否則會(huì)對(duì)手掌的感知能力產(chǎn)生影響。用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量測(cè)評(píng)者的手掌溫度，高于29 ℃方能參加試驗(yàn)，且測(cè)評(píng)時(shí)車(chē)內(nèi)溫度設(shè)定在22～26 ℃之間。

5.3試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)前換擋桿置于空擋，先將汽車(chē)發(fā)動(dòng)，離合器和腳剎踩到底部并用限位裝置固定，松開(kāi)手剎，測(cè)評(píng)者根據(jù)個(gè)人喜好調(diào)整好座椅位置及傾角后操縱換擋桿。要求測(cè)評(píng)人員以平時(shí)駕駛汽車(chē)時(shí)所采用的速度和力度將換擋桿由空擋切換至1擋，隨后再換回空擋。如此往復(fù)10次，最后針對(duì)空擋和1擋之間的切換給出操控舒適性評(píng)分。4位測(cè)評(píng)者依次對(duì)12輛被試車(chē)輛進(jìn)行操縱測(cè)試。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別針對(duì)選擋、進(jìn)擋、退擋三個(gè)進(jìn)程繪制力反饋-位移曲線，由1位測(cè)評(píng)者對(duì)某換擋桿進(jìn)行10次時(shí)的力反饋-位移曲線如圖4～圖6所示。

圖4　選擋力反饋-位移曲線(右向力反饋為正)

圖5　進(jìn)擋力反饋-位移曲線(后向力反饋為正)

圖6　退擋力反饋-位移曲線(前向力反饋為正)

(3)

(4)

(5)

如圖5所示，在進(jìn)擋過(guò)程中，受同步器結(jié)合過(guò)程中的阻力變化特征影響，力反饋由起始點(diǎn)至峰值點(diǎn)B點(diǎn)的階段中不斷增大，由B點(diǎn)至谷值點(diǎn)C點(diǎn)的階段中迅速減小。之后，雖已完成同步，同步器的位移幾乎沒(méi)有變化，但換擋桿位移繼續(xù)變化，傳動(dòng)系統(tǒng)變形增大，使得力反饋迅速增大，該后續(xù)過(guò)程主要受換擋桿的運(yùn)動(dòng)慣性影響，在測(cè)評(píng)時(shí)可忽略。

將以上參數(shù)作為一組模型輸入變量，并以該測(cè)評(píng)者對(duì)該車(chē)變速桿操控舒適性的評(píng)分作為對(duì)應(yīng)的一個(gè)輸出變量。相應(yīng)地，輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)R為8，輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。由4名測(cè)評(píng)者測(cè)評(píng)12輛車(chē)，共得到48組數(shù)據(jù)，以其中的40組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，對(duì)PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。其余8組數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效果進(jìn)行驗(yàn)證。

5.4結(jié)果與討論

粒子群的粒子數(shù)取20，最大允許迭代次數(shù)為2000。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練目標(biāo)誤差為10-3，當(dāng)其隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)S取11時(shí)實(shí)現(xiàn)較快的訓(xùn)練速度，如圖7所示。

利用8組檢驗(yàn)樣本檢測(cè)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)比實(shí)際評(píng)分值和仿真輸出值，見(jiàn)表3。仿真輸出值較接近實(shí)際評(píng)分，誤差均在[-0.3,0.3]以內(nèi)，逼近效果良好。

經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，該測(cè)評(píng)方法可行，且取得了較好的映射效果。為了便于分析數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)研究了具有代表性的換擋操縱過(guò)程，即空擋與1擋之間的切換?；谠摲椒ǎ軌蜥槍?duì)不同的擋位切換過(guò)程，且圍繞不同駕駛者人群展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

圖7　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

試驗(yàn)聘請(qǐng)了4名專(zhuān)業(yè)測(cè)試人員，因而研究的實(shí)質(zhì)是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬專(zhuān)業(yè)測(cè)試人員對(duì)換擋桿操縱力反饋的舒適性感知水平。考慮在后期研究中擴(kuò)充不同性別、年齡及體格特征的普通駕駛者作為測(cè)評(píng)主體，從而增強(qiáng)所訓(xùn)練模型的普適性。

表3　檢測(cè)樣本及仿真輸出

在本實(shí)例只研究了手動(dòng)變速器換擋桿操縱過(guò)程，但所采用的建模方法對(duì)于其他的測(cè)評(píng)客體具有一定的推廣意義。若將該方法應(yīng)用于其他操控裝置的操控舒適性測(cè)評(píng)，需針對(duì)其傳動(dòng)特征以及相應(yīng)的操縱動(dòng)作與路徑特點(diǎn)選定適當(dāng)?shù)目陀^測(cè)評(píng)指標(biāo)。

6　結(jié)論

(1)針對(duì)汽車(chē)換擋操縱過(guò)程中操縱力反饋的變化特征以及操縱者對(duì)其的感知特性，分別針對(duì)選擋、進(jìn)擋及退擋過(guò)程提取了相對(duì)力反饋極值和相對(duì)操縱剛度作為換擋桿操控舒適性的客觀測(cè)評(píng)指標(biāo)。綜合考慮了換擋裝置和操縱者兩方面的差異。

(2)基于PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了力反饋特征參數(shù)與操控舒適性主觀測(cè)評(píng)結(jié)果之間的映射模型。實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)用該模型能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)評(píng)換擋桿的操控舒適性，能為其他類(lèi)型的力反饋特征較為明顯的操控裝置(如踏板、轉(zhuǎn)向盤(pán)、手輪、推拉桿等)的操控舒適性研究提供參考。

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(編輯陳勇)

Evaluation Method of Handling Force Feedback Comfort of Vehicle Gear Lever

Liu MingzhouZhang MiaoHu JingLiu ZhengqiongChen Ziang

Hefei University of Technology, Hefei,230009

A method for evaluating handling comfort of vehicle gear laver was proposed based on its force feedback characteristics. The method combined the objective test with the subjective evaluation, to compensate for the inadequacy of subjective evaluation only. The variation of handling force feedback with the displacement of the gear lever and the driver’s individual differences were analyzed. The relative force feedback maxima and relative handling stiffness were extracted as objective indicators for the processes of gear selection, in-gear and out-of-gear. In addition, back propagation (BP) neural network was improved by particle swarm optimization (PSO), thereby an evaluation model was established, which described the mapping relationships between objective indicators and subjective scores. Finally, the model was trained and tested by 48 groups of sample data obtained from the handling experiments, which took the manual transmission used widely in normal car for examples. The results show that the evaluation with proposed method is accurate and stable, so that it can provide guidance for optimization design of vehicle transmissions.

manual transmission; gear lever; force feedback; handling comfort; PSO-BP neural network

2015-10-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375134)

U461.4

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.15.020

劉明周，男，1968年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)橹圃爝^(guò)程監(jiān)測(cè)與控制、人機(jī)工程、系統(tǒng)建模與仿真等。張淼(通信作者)，男，1986年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院博士研究生。扈靜，女，1976年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院副教授。劉正瓊，女，1973年生。合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院副教授。陳子昂，男，1990年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院碩士研究生。