换挡策略与扭矩需求
本页除了介绍按转速判据自动换挡的方法，还提供一个不依赖 CARLA 的离线原型：
src/ground/gear_shift_policy。它接受一条纵向速度剖面，输出挡位序列、每帧扭矩需求与四条断言结论，
可在没有仿真器、没有 GPU 的机器上直接复现。
这一页解决什么问题
车辆纵向的「该用几挡、要多少扭矩」通常是靠标定表与经验，难以复核。把两件事讲清楚就能复核：
- 换挡时机：由发动机转速决定，升挡线与降挡线之间留迟滞带，再加最短保持时间；
- 扭矩需求：按纵向力平衡反推，与发动机外特性比对，超了就说明这条剖面在这台车上做不到。
自主实现：gear_shift_policy
换挡判据
rpm(v, g) = v · ratio_g · final · 60 / (2π · r)
升挡：rpm > upshift_rpm 且 g < 4
降挡：rpm < downshift_rpm 且 g > 1
限制：距上次换挡时间 ≥ min_dwell
默认传动比 3.55 / 2.10 / 1.40 / 1.00、主减速比 4.10、车轮半径 0.31 m，于是各挡的换挡车速为：
| 挡位 | 升挡车速（2600 rpm） | 降挡车速（1500 rpm） |
|---|---|---|
| 1 → 2 | 5.799 m/s | 3.346 m/s |
| 2 → 3 | 9.803 m/s | 5.656 m/s |
| 3 → 4 | 14.705 m/s | 8.483 m/s |
| 4 → — | 20.586 m/s | 11.877 m/s |
两条线之间的距离（约 2.45 m/s）就是迟滞带。
扭矩需求
F = m·a + ½ρ·Cd·A·v² + m·g·Crr # 纵向力平衡
Tw = F · r # 车轮扭矩
Te = Tw / (ratio_g · final · η) # 发动机扭矩，负值截到 0
判定：Te ≤ max_torque(rpm)
max_torque(rpm) 用简化外特性：峰值转速以下近似平台（0.60→1.00 线性），峰值以上抛物线衰减，两端留 35% 底。
四条断言
| 断言 | 判据 |
|---|---|
挡位覆盖 |
至少用到 4 个挡 |
换挡平顺 |
相邻换挡间隔 ≥ min_dwell，且 2×min_dwell（至少 1 s）窗口内无 A→B→A |
转速区间 |
全程转速 ∈ [0.5×怠速, 红线] |
扭矩上限 |
每帧扭矩需求 ≤ max_torque(rpm) |
参数
| 参数 | 默认 | 含义 |
|---|---|---|
policy/upshift_rpm |
2600.0 | 升挡转速线 |
policy/downshift_rpm |
1500.0 | 降挡转速线 |
policy/min_dwell |
0.50 | 换挡后最短保持时间 s |
policy/idle_rpm / policy/redline_rpm |
800.0 / 6500.0 | 怠速与红线 |
profile/accel / profile/max_speed / profile/hold_seconds / profile/decel |
1.00 / 30.00 / 2.00 / 2.00 | 速度剖面四要素 |
engine/peak_torque / engine/peak_rpm |
220.0 / 4200.0 | 发动机外特性 |
gearbox/final_drive / gearbox/efficiency |
4.10 / 0.92 | 主减速比与效率 |
gearbox/ratio_1..4 |
3.55 / 2.10 / 1.40 / 1.00 | 各挡传动比 |
vehicle/mass / vehicle/wheel_radius |
1500.0 / 0.31 | 质量与车轮半径 |
sim/step / rate/publish_hz |
0.05 / 10.0 | 步长与频率 |
话题
| 话题 | 类型 | 内容 |
|---|---|---|
/gear/current |
std_msgs/Int32 |
末帧挡位 |
/gear/report |
std_msgs/String |
完整文字报告 |
/gear/curve |
std_msgs/String |
挡位条带 + 扭矩柱 |
/gear/shift |
std_msgs/String |
换挡事件表 |
运行
roslaunch gear_shift_policy main.launch
默认剖面的真实输出（1.0 m/s² 加速到 30 m/s、保持 2 s、2.0 m/s² 减速）：
帧数：941，时长：47.00 s，最高车速 30.00 m/s，最高转速 3789 rpm
换挡 6 次：
t=5.80 s 1 -> 2 （5.80 m/s，2600 -> 1538 rpm）
t=9.85 s 2 -> 3 （9.85 m/s，2612 -> 1742 rpm）
t=14.75 s 3 -> 4 （14.75 m/s，2608 -> 1863 rpm）
t=41.10 s 4 -> 3 （11.80 m/s，1490 -> 2086 rpm）
t=42.80 s 3 -> 2 （8.40 m/s，1485 -> 2228 rpm）
t=44.20 s 2 -> 1 （5.60 m/s，1485 -> 2511 rpm）
断言：4 通过 / 0 失败（共 4 条）
结论：PASSED
四个反例（每条断言都能单独翻红）
| 命令 | 结果 |
|---|---|
max_speed:=5.0 |
[FAIL] 挡位覆盖 用到的挡位 [1]，另一侧只跑 9.5 s |
redline_rpm:=2000 |
[FAIL] 转速区间 越界 631 帧（实测最高 3789） |
accel:=3.0 |
[FAIL] 扭矩上限 超限 162 帧（峰值需求 419.2 N·m） |
upshift_rpm:=1600 downshift_rpm:=1500 |
换挡 26 次、[FAIL] 换挡平顺 ……1.0 s 内来回换挡 20 次 |
另有两条「改了但依然合规」的对照组：upshift_rpm:=4000（升挡更晚，最高转速 3996）与
min_dwell:=2.5（换挡更保守，最短保持 2.50 s），两者都是 4 通过 / 0 失败。
离线回归测试
cd <仓库根目录>
python3 tests/test_gear_shift_policy_local.py
只用 Python 标准库，不需要 ROS、不需要 CARLA、不需要显示器；pytest 下也会真失败（不是假绿）。
与已有模块的关系
| 模块 | 算什么 | 与本页的分工 |
|---|---|---|
扭转控制 |
速度指令 → 转角 / 轮速 | 只做运动学换算 |
速度曲线规划 |
加速/匀速/减速怎么排 | 输出速度剖面，本页接它的剖面 |
刹车距离核算 |
从看见到停住要几米 | 只算制动侧 |
转向执行器滞后 |
转向执行器的滞后与回正 | 管横向执行器 |
| 本页 | 该用几挡、需要多少扭矩、够不够 | 把动力可行性变成四条断言 |
常见问题
Q：为什么用转速判据而不是车速判据？ A：同样车速下不同挡位的转速差好几倍；转速判据能自动适配主减速比与轮胎半径的变化。
Q：为什么减速段扭矩是 0？ A：减速由制动器承担，发动机倒拖时模型把负扭矩截到 0，避免把制动功算成发动机功。
Q：Melodic 上出现 UnicodeEncodeError？
A：Python 2.7 的 rosgraph 对非 ASCII unicode 会调 str()；节点内 _log() 已统一转 byte str。
使用大模型辅助代码编写、测试编写与文档整理，提交内容由本人负责。
闭环执行（默认模式）
上面一节是开环算法：车速剖面由参数给定，反推需要多少扭矩。从 1.0.0 起节点
默认改成闭环，把「执行」这一环也模拟进去：
目标车速 ──► 比例控制器 ──► 油门/刹车 ──► 扭矩请求
│
发动机外特性限制 ◄─┘
│
牵引力 − 阻力 − 制动力
│
车速积分 ──► 转速 ──► 换挡决策 ──┐
▲ │
└────────────────────────────┘
换挡因此不再是「事后统计」，而是实时影响加速度：四挡扭矩不足就加速慢， 车速跟不上目标，跟踪误差变大。默认工况下：
- 帧数 941，时长 47.00 s，行驶 734.59 m，最高车速 29.99 m/s
- 首次升挡在 t = 6.25 s（5.80 m/s），比开环晚 0.45 s —— 就是滞后
- 跟踪误差 最大 0.90 m/s、平均 0.57 m/s，最差点出现在减速末尾 （目标 0.20 m/s、实到 1.10 m/s，因为刹车还有惯性）
- 结论
PASSED
四条断言换成：挡位覆盖 / 换挡平顺 / 跟踪误差 / 转速区间。
把红线压到 2000 rpm 可以看到闭环的另一种失败：
roslaunch gear_shift_policy main.launch redline_rpm:=2000
[FAIL] 转速区间 越界 631 帧（怠速 800，红线 2000，实测最高 3788）
结论：FAILED
想回到开环对比：roslaunch gear_shift_policy main.launch closed_loop:=false。