劉明周　阿地蘭木?斯塔洪　扈　靜　張　淼　錢佩倫

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

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基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)

劉明周阿地蘭木?斯塔洪扈靜張淼錢佩倫

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

針對(duì)目前汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)方法的不足，提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)方法，通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的操縱舒適性特征參數(shù)和主觀舒適度評(píng)價(jià)構(gòu)成的樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和合理性。

汽車變速桿；操縱舒適性；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；評(píng)價(jià)系統(tǒng)

0　引言

近年來，隨著人機(jī)工程學(xué)的快速發(fā)展和在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人機(jī)系統(tǒng)操縱舒適性研究越來越受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視[1]。汽車變速桿作為一個(gè)典型的人機(jī)操縱系統(tǒng)，是指駕駛者在一定時(shí)間內(nèi)在施加操縱力于變速桿并改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的過程中，系統(tǒng)所反饋出的適應(yīng)駕駛者身體結(jié)構(gòu)及生理心理特點(diǎn)的程度和使駕駛者能夠安全、健康、高效工作的能力[2-3]。變速桿操縱舒適性受諸多因素的影響，包括操縱過程中操縱者的身體、心理狀態(tài)以及周圍的環(huán)境，操縱過程產(chǎn)生的操縱力、操縱位移、角度等因素。目前，變速桿操縱舒適性的評(píng)價(jià)多采用以駕駛員主觀滿意度為衡量標(biāo)準(zhǔn)的主觀評(píng)價(jià)方法[4]。該方法受個(gè)人主觀因素的影響較大，而且難以建立評(píng)價(jià)結(jié)果與操縱舒適性特征參數(shù)之間的聯(lián)系，不便實(shí)施汽車變速桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，常用的汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)建模方法有回歸分析擬合法、灰色理論模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。由于主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)之間的非線性關(guān)系，故難以用回歸分析擬合法來建模；灰色理論模型過多依賴評(píng)價(jià)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)范圍；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在語言信息的處理上存在不足，知識(shí)表達(dá)相對(duì)困難，網(wǎng)絡(luò)規(guī)則的映射不可見且非常難以理解；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則具備了模糊系統(tǒng)語言信息處理的特點(diǎn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)機(jī)制，能夠彌補(bǔ)各自的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)上述情況，本文首先將模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車變速桿操縱舒適性客觀評(píng)價(jià)方法，通過分析變速桿操縱過程，確定影響變速桿操縱舒適性的操縱舒適性特征參數(shù)，同時(shí)采用主觀評(píng)價(jià)法對(duì)各變速桿操縱舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)；然后通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起操縱舒適性特征參數(shù)到操縱者主觀舒適性評(píng)價(jià)之間的非線性映射關(guān)系，從而保留了專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)；最后，建立了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變速桿操縱舒適性快速、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

1　操縱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)

變速桿操縱舒適性是汽車駕駛舒適性的重要組成部分。汽車變速桿操縱過程中，操縱力是最能直接反映人機(jī)系統(tǒng)操縱舒適性的輸入因素，也是改變整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)因素。力變率和力-行程剛度不僅受操縱機(jī)構(gòu)載荷和阻尼特性的影響，同時(shí)又受操縱速度和發(fā)力特征的影響，提取這兩項(xiàng)指標(biāo)能夠?qū)⒉倏v者的行為差異考慮在內(nèi)。異態(tài)輸出特征值也是直接影響操縱順利與否的重要因素。因此，本文選取操縱力、力變率、力-行程剛度、異態(tài)輸出特征作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，它們分別是從操縱過程中操縱力與時(shí)間、操縱力與行程的數(shù)據(jù)及其曲線提取出的操縱舒適性特征參數(shù)。

1.1操縱力

根據(jù)人體活動(dòng)過程中的生物力學(xué)特性可知，不同作用力條件下人體所消耗的能量不同，感受到的疲勞程度和舒適感不盡相同。手握變速桿時(shí)，施力和使手柄轉(zhuǎn)動(dòng)都是依靠手的屈肌和伸肌動(dòng)作共同完成的。隨著操縱時(shí)間的增長(zhǎng)，肌肉持續(xù)緊張，就會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，負(fù)荷越大，越易抖動(dòng)，這就是靜態(tài)疲勞的外表現(xiàn)象。靜態(tài)施力狀態(tài)下，肌肉供血受阻的程度與肌肉收縮產(chǎn)生的力成正比，施力的大小不能超過最大肌力的60%，否則肌肉血液輸送幾乎會(huì)中斷[5]。因此，為使靜態(tài)施力能保持一段時(shí)間且不致人體疲勞，最好使靜態(tài)施力的大小低于最大肌力的15%，所以操縱過程中的操縱力不宜大于最大肌力[6]。任何一個(gè)操縱裝置，都有其最舒適的操縱力范圍，若操縱力過大或過小，就會(huì)引起操縱者身體、心理上的疲勞和不舒適感[7]。綜上所述，變速桿操縱過程中的操縱力大小會(huì)影響人體的操縱舒適性。本文采取操縱過程中某一時(shí)間段的平均作用力f作為變速桿操縱力。1.2力變率

在實(shí)際操作過程中，當(dāng)操縱者承受穩(wěn)定的恒力作用時(shí)并不會(huì)感到不舒適，但當(dāng)這個(gè)力突然改變時(shí)，人體將感到強(qiáng)烈的不舒適甚至是疼痛。這表明力的變化情況即力變率對(duì)操縱舒適性有很大的影響。

力變率指的是變速桿操縱過程中操縱力對(duì)時(shí)間的變化率。它是與急動(dòng)度所對(duì)應(yīng)的新的動(dòng)力學(xué)量，反映了操縱過程中操縱力大小變化的快慢[8]。一般來說，力變率越大，人體在操縱過程中感受到的沖擊力越大，操縱者就更容易感覺疲勞和不舒適。因此，在汽車變速桿操縱過程中，力變率越小，則變速桿的操縱舒適性越好。本文以v表示力變率，其最大值的數(shù)學(xué)表達(dá)式為vmax=dF/dt。

1.3力-行程剛度

汽車變速桿操縱過程是個(gè)典型的人機(jī)相互作用的過程，按照系統(tǒng)有無反饋控制環(huán)節(jié)，將人機(jī)系統(tǒng)分為閉環(huán)人機(jī)系統(tǒng)和開環(huán)人機(jī)系統(tǒng)兩大類。由于汽車操縱過程由操縱者來觀察和控制系統(tǒng)的輸入、輸出信息，因此本文將變速桿操縱過程視為閉環(huán)人機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行研究。系統(tǒng)中操縱者通過對(duì)變速桿的主動(dòng)操縱來控制其操縱行程，從而達(dá)到對(duì)汽車操縱控制的目的。另一方面，操縱者也須感知及接受變速桿的反饋——變速桿操縱行程的感知，對(duì)汽車狀態(tài)作出判斷并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。變速桿換擋操縱過程中，操縱力隨行程的變化速率定義為力-行程剛度[9-10]。一般來說，操縱力與位移多呈線性關(guān)系或者是近似線性關(guān)系，根據(jù)操縱過程中力-行程剛度的特點(diǎn)和線性度的定義，本文用力-行程剛度的線性度大小作為衡量變速桿操縱舒適性的指標(biāo)，線性度越小，操縱舒適性越好。本文以μ表示力-行程剛度，其最大值的數(shù)學(xué)表達(dá)式為μmax=dF/ds。

1.4異態(tài)輸出特征

異態(tài)輸出特征是用來描述操縱過程中的異常情況的物理量，如操縱力-時(shí)間、操縱力-行程曲線上的異常點(diǎn)數(shù)、曲線峰值個(gè)數(shù)等特征。變速桿操縱過程中這些特征參量的突變或是異常狀況，會(huì)直接影響操縱者的正常操縱情況，導(dǎo)致操縱不順利甚至中斷，進(jìn)而會(huì)影響到操縱者的身體、心理狀態(tài)，使得操縱者感到不舒適。因此，將異態(tài)輸出特征作為評(píng)價(jià)操縱舒適性的指標(biāo)。

本文以wi表示操縱過程中的異態(tài)輸出特征，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中用來濾除異常數(shù)據(jù)的格拉布斯準(zhǔn)則，同時(shí)結(jié)合聚類分析方法對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上，以操縱力F、行程s和時(shí)間t為基本參數(shù)建立各不同異態(tài)輸出特征的數(shù)學(xué)模型[11-12]：

2　主觀評(píng)價(jià)方法

變速桿操縱舒適性的主觀評(píng)價(jià)是操縱者根據(jù)不同的駕駛?cè)蝿?wù)操縱變速桿時(shí)，依據(jù)操縱過程中的舒適感覺對(duì)變速桿進(jìn)行評(píng)價(jià)，即操縱者對(duì)變速桿的操縱舒適性所進(jìn)行的評(píng)價(jià)。操縱舒適性的主觀測(cè)評(píng)，本文采用傳統(tǒng)的心理學(xué)量表——李克特量表(Likert scale)，建立7點(diǎn)量表[13]。7點(diǎn)量表將心理連續(xù)量分成7個(gè)等級(jí)，用一條四等分線段表示感覺的方向和變化強(qiáng)度，采用0～7分的形式來計(jì)分，如圖1所示。

圖1　操縱舒適性主觀評(píng)價(jià)量表

圖1中，線段右端代表了較高的舒適性水平，而越向右端，操縱者的舒適性感受逐級(jí)遞增，被試者根據(jù)自己的主觀感受，對(duì)變速桿操縱舒適性按照量表語意進(jìn)行評(píng)價(jià)，并在量表相應(yīng)位置上打分。

3　模型建立

傳統(tǒng)的舒適性評(píng)價(jià)模型通過多元線性統(tǒng)計(jì)回歸分析得到，用加權(quán)平均值的結(jié)果不能很好地反映舒適性，且評(píng)價(jià)過程中的權(quán)重確定存在人為因素的影響，很難準(zhǔn)確反映各指標(biāo)之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況之間的差異[14]。而模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將模糊推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，形成一種模糊推理系統(tǒng)，在有效利用專家知識(shí)的同時(shí)，又具有極強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力[15]。它通過自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能夠有效確定隸屬度函數(shù)的最佳參數(shù)以及模糊規(guī)則，并以此為基礎(chǔ)建立物理參數(shù)與主觀評(píng)價(jià)之間的映射關(guān)系，從而極大地減小了主觀評(píng)價(jià)的隨意性[16]。

3.1模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

本文以操縱力、力變率、力-行程剛度和異態(tài)輸出特征值4個(gè)指標(biāo)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，將汽車變速桿的主觀操縱舒適性評(píng)價(jià)值作為輸出變量，構(gòu)造n維輸入單輸出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如圖1所示，本文采用T-S模型來表示該模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊規(guī)則：

(1)

圖2　汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

第一層是輸入層，其中輸入變量xi經(jīng)輸入向量X=(x1,x2,…,xn)T傳送到第二層，第一層節(jié)點(diǎn)數(shù)N1=n ，輸入量在第一層經(jīng)過歸一化處理后傳遞至模糊化層。

(2)

式中,cij為隸屬度函數(shù)的中心；σij為隸屬度函數(shù)的寬度；n為輸入變量的數(shù)量；m為xi隸屬函數(shù)的數(shù)量。

第三層是模糊推理層，該層各節(jié)點(diǎn)均代表一條模糊規(guī)則，所有節(jié)點(diǎn)共同組成一個(gè)模糊規(guī)則庫，各規(guī)則的相關(guān)適用度為

(3)

第四層是去模糊化層，該層是對(duì)模糊規(guī)則的適應(yīng)度進(jìn)行歸一化處理：

(4)

第五層是輸出層，即所有前件網(wǎng)絡(luò)的輸出總和，用于計(jì)算每條規(guī)則的后件，在第五層中前件網(wǎng)絡(luò)的輸出作為后件網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值，此時(shí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值為

i=1,2,…，r

(5)

3.2模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法

汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)的學(xué)習(xí)過程由信息的正向傳播和誤差的反向傳播組成，本文在運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)時(shí)，采用梯度搜索方法，將實(shí)際輸出值與期望輸出值的誤差控制在最小范圍，并根據(jù)輸出誤差自動(dòng)優(yōu)化隸屬度函數(shù)，從而有效提高網(wǎng)絡(luò)建模的精度，算法過程如下：

(1)誤差計(jì)算。設(shè)網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)為

(6)

式中，e為網(wǎng)絡(luò)期望輸出與網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)輸出值的誤差；yc為網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)輸出；yd為網(wǎng)絡(luò)期望輸出。

(2)系數(shù)修正。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)pji的修正：

(7)

式中，pji為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)；β為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)率； xi為網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)。

(3)參數(shù)修正。通過學(xué)習(xí)后將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)pji(k)固定，利用誤差反向傳播算法計(jì)算?e/?cij和?e/?σij，通過梯度尋優(yōu)算法逐步調(diào)整cij和σij，最后得到：

(8)

(9)

4　實(shí)例分析

以在普通型轎車中應(yīng)用較為廣泛的手動(dòng)變速器換擋桿為操縱測(cè)評(píng)對(duì)象，試驗(yàn)車型采用江淮和悅2014款轎車，利用LSA-A-200NSI變速桿操縱力傳感器獲取變速桿換擋數(shù)據(jù)，測(cè)量時(shí)將傳感器上端直徑為30mm的圓球固定在變速桿上端，代替變速桿原有的球頭。試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)來源于合肥市某4S店的用戶調(diào)查報(bào)表，該項(xiàng)調(diào)查參與人數(shù)有46人，年齡在25～50歲之間，平均年齡為34.3歲，女性有8名，駕齡均在5年以上，且均沒有影響操縱功能的疾病，也沒有任何疼痛或心理因素等可能影響操縱舒適性的情況。試驗(yàn)過程中，要求每一位測(cè)評(píng)者以正常的速度和力度由1擋切換至2擋，如此重復(fù)10次，每次間隔為5s左右，將一名測(cè)試人員所測(cè)10次數(shù)據(jù)的平均值作為一組樣本，試驗(yàn)過程中同時(shí)記錄變速桿操縱過程中的主觀舒適性評(píng)分，試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備如圖3所示。試驗(yàn)采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后分別得到操縱力均值、力變率、力-行程剛度和異態(tài)輸出特征值等評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖3　變速桿操縱舒適性測(cè)試設(shè)備

由于模糊綜合評(píng)價(jià)法具有較好的客觀性，本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)變速桿操縱舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于篇幅所限，省略具體評(píng)價(jià)過程，表1、表2為試驗(yàn)獲得的不同的操縱舒適性特征參數(shù)下的模糊綜合評(píng)價(jià)值。

以表1作為變速桿操縱舒適性測(cè)試數(shù)據(jù)，以表2作為操縱舒適性建模訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其中FAHP為變速桿的主觀舒適度。

以操縱力、力變率、力-行程剛度和異態(tài)輸出特征值為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，汽車變速桿的主觀操縱舒適性評(píng)價(jià)值作為輸出變量，在訓(xùn)練樣本過程中，設(shè)定最大訓(xùn)練誤差為0.001，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)率為0.4，訓(xùn)練次數(shù)為30。為了檢驗(yàn)?zāi)：窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的系統(tǒng)性能的好壞，通過MATLAB編程得到的系統(tǒng)評(píng)價(jià)與主觀評(píng)價(jià)的比較結(jié)果與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差如圖4和圖5所示。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果見表3。

表1　用于汽車變速桿的操縱舒適性評(píng)價(jià)測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　用于汽車變速桿的操縱舒適性評(píng)價(jià)建模的訓(xùn)練數(shù)據(jù)

圖4　汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本訓(xùn)練誤差圖

圖5　汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果圖

序號(hào)實(shí)際值預(yù)測(cè)值絕對(duì)誤差相對(duì)誤差15.435.230.200.0426.476.750.280.0436.136.400.270.0446.196.380.190.0356.416.060.350.0565.475.040.430.0875.936.330.400.0786.836.530.300.0496.806.140.660.10106.456.450.000.00116.436.800.370.06126.536.460.070.01135.876.530.660.11146.336.500.170.03156.276.420.150.02165.956.140.190.03

由表3可知，建模精度為

(10)

式中,ri為測(cè)試數(shù)據(jù)中第i個(gè)汽車變速桿操縱舒適性實(shí)測(cè)值；pi為測(cè)試數(shù)據(jù)中第i個(gè)由所建模型獲得的汽車變速桿操縱舒適性預(yù)測(cè)值。

本文采用了各數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)精度的平均值為模型建模精度。由于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度取決于建模訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，因此訓(xùn)練數(shù)據(jù)的正確性和覆蓋的范圍對(duì)模型精度產(chǎn)生直接的影響。

5　結(jié)語

運(yùn)用主觀評(píng)價(jià)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)方法，將主觀評(píng)價(jià)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地結(jié)合起來，應(yīng)用到變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)中。通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)提取的操縱舒適性特征參數(shù)和相應(yīng)的主觀評(píng)價(jià)構(gòu)成的樣本量進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立了汽車變速桿操縱舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)，克服了主觀評(píng)價(jià)的隨意性?；谀：窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)建立操縱舒適性特征參數(shù)與操縱舒適性主觀評(píng)價(jià)之間的映射模型，經(jīng)測(cè)試，該模型能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)評(píng)變速桿操縱舒適性，該方法為變速桿設(shè)計(jì)和研發(fā)者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段檢查和解決所出現(xiàn)的問題提供了強(qiáng)有力的工具。

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(編輯郭偉)

EvaluationMethodforHandlingComfortofVehicleGearShiftLeverBasedonFuzzyNeuralNetwork

LiuMingzhouAdilanmuSitahongHuJingZhangMiao

QianPeilunHefeiUniversityofTechnology,Hefei,230009

Aimingatthedrawbacksofmethodsinthecomfortevaluationofvehiclegearshiftlever,anevaluationmethodwasproposedhereinbasedonfuzzyneuralnetwork.Theobjectiveevaluationindexmeasuredbyinstrumentandthesubjectiveratingsofcomfortformsubjectsduringtheprocessofgearshiftleverwerestudiedandtrained,andfinallytheevaluationsystemofgearshiftleverhandlingcomfortwereestablished.Computationalandexperimentalresultsdemonstratethefeasibilityandapplicabilityofthemethod.

vehiclegearshiftleverhandlingcomfort,fuzzyneuralnetwork;evaluationsystem

2015-11-09

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

TH122

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.17.022