摘 要： 設(shè)計(jì)了駕駛操作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳感器和駕駛動(dòng)作記錄儀兩部分。根據(jù)傳感器選型和布設(shè)的原則，結(jié)合需要采集的車輛狀態(tài)和操縱機(jī)構(gòu)動(dòng)作信息，對傳感器進(jìn)行了設(shè)計(jì)；并從硬件、主程序設(shè)計(jì)兩方面對駕駛動(dòng)作記錄儀進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過在實(shí)車搭建駕駛操作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞： 駕駛訓(xùn)練； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 坦克
在我軍坦克駕駛訓(xùn)練過程中，由于缺少信息化輔助手段，教員無法捕捉和再現(xiàn)駕駛員的操作細(xì)節(jié)，只能憑借主觀感覺來判斷訓(xùn)練效果[1]，不利于實(shí)施針對性的指導(dǎo)，影響了訓(xùn)練效率。本文通過對傳感器的選型和對駕駛動(dòng)作記錄儀的設(shè)計(jì)，搭建了駕駛操作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對駕駛操作的數(shù)字化記錄，為進(jìn)一步深入分析駕駛動(dòng)作和評價(jià)駕駛技能奠定了基礎(chǔ)。
1 傳感器設(shè)計(jì)
1.1 傳感器選型與布設(shè)的原則
傳感器的合理選型與布設(shè)是準(zhǔn)確采集駕駛動(dòng)作數(shù)據(jù)以及后期深入分析與評判駕駛情況的基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。在傳感器的選型和布設(shè)上應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)[2]：
(1) 在傳感器數(shù)量上，應(yīng)盡量布設(shè)多的傳感器來采集數(shù)據(jù)，以確保識(shí)別與評判的全面性與準(zhǔn)確性；
(2) 在傳感器的性能上要達(dá)到：①傳感器自身工作性能的穩(wěn)定可靠及抗干擾能力；②傳感器應(yīng)該具有較高的響應(yīng)速度和較寬的頻率響應(yīng)頻帶；③傳感器應(yīng)具有較高靈敏度和測量精度；④側(cè)重應(yīng)用現(xiàn)有成熟技術(shù)，一方面考慮到經(jīng)濟(jì)性和適用性，另一方面考慮到傳感器在車內(nèi)相對惡劣的工作環(huán)境。
(3) 在傳感器的布設(shè)上要做到與駕駛互不干涉。傳感器的布設(shè)不能影響正常的駕駛動(dòng)作的進(jìn)行，駕駛動(dòng)作也不能影響到傳感器的工作。
1.2 傳感器的選型
合格的駕駛員應(yīng)對車輛和路面環(huán)境狀況進(jìn)行全面掌握，并對操縱機(jī)構(gòu)做出正確的操作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要對車輛狀態(tài)、操縱機(jī)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。根據(jù)傳感器選型與布設(shè)的原則，本文通過在主離合器踏板、操縱桿、檔位桿、油門踏板和制動(dòng)器踏板等操縱裝置上安裝傳感器，采集駕駛過程中動(dòng)作信息。通過對現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、車速里程表的改裝，采集車速和轉(zhuǎn)速信息，具體的傳感器選擇方案分析如下。
油門踏板、主離合器踏板、制動(dòng)器踏板等操縱桿件都是繞各自轉(zhuǎn)軸按照給定軌跡運(yùn)動(dòng)，狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化。相對于拉線式位移傳感器，角位移傳感器固定更加方便，受外界振動(dòng)干擾更小。因此，選用角位移傳感器采集上述操縱件的動(dòng)作信息。
變速桿共有空擋、1擋、2擋、3擋、4擋、5擋、6擋7個(gè)狀態(tài)，采用光電開關(guān)傳感器采集變速桿的信息。
本文對車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號采集裝置進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)。某型坦克發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表的工作原理是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)后，通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)速表感受器的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子（2對永久磁鐵）的磁力線切割定子上的三相定子繞組，產(chǎn)生三相交流電，這個(gè)電壓、頻率均隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比變化的三相交流電通過三芯電纜輸送到轉(zhuǎn)速表的指示器，這樣，轉(zhuǎn)速的變化就轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率的變化，以脈沖信號的形式傳遞到轉(zhuǎn)速表指示器，經(jīng)電磁耦合器處理后輸出。這個(gè)脈沖信號中包含了轉(zhuǎn)速的信息。基于此，選用頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊將脈沖信號轉(zhuǎn)換成電壓模擬量輸出，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號的采集。該方法不需要額外添置傳感器，選用的頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊體積小，安裝方便可靠，具有較大的優(yōu)勢。車速里程表的工作原理與轉(zhuǎn)速表類似，因此采用同樣的方法來采集車速信息。
采用的傳感器類型及輸出方式如表1所示。表中，輸出通道總數(shù)共包括3路模擬量、6路數(shù)字開關(guān)量（變速桿包含6路數(shù)字開關(guān)量）和2路脈沖信號。采用NI公司的DAC0832芯片實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，將變速桿的6路數(shù)字開關(guān)量轉(zhuǎn)換成1路模擬量輸出,節(jié)省了采集通道，簡化了采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。通過輸出量的模擬化處理，實(shí)現(xiàn)了所有狀態(tài)信息的模擬電壓輸出。
2 駕駛動(dòng)作記錄儀設(shè)計(jì)
2.1 記錄儀總體設(shè)計(jì)
駕駛動(dòng)作記錄儀主要由微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊、U盤/SD卡讀寫模塊、電源模塊和按鍵開關(guān)組成?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.2.1 微處理器選擇
目前單片機(jī)的發(fā)展較成熟，能保證系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性、大量數(shù)據(jù)的處理能力、擴(kuò)展接口等各方面的要求，且價(jià)格相對較低，是記錄儀微處理器的首選[3]。單片機(jī)核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了飛思卡爾的S12X系列16 bit微控制器MC9S12XDP512及其外圍電路，硬件核心電路圖如圖2所示。它采用了增強(qiáng)核心和增強(qiáng)外圍設(shè)備，提高了總線頻率(最高可達(dá)40 MHz)，并且具備完全的CAN功能和一個(gè)平行處理的XGATE模塊。XGATE模塊是一種高效的協(xié)處理器，可提高高達(dá)80 MIPS的額外處理能力，能夠減少通信負(fù)擔(dān),避免核心功能與中斷處理之間的沖突。系統(tǒng)采用微處理器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊,具有10 bit采樣精度和7 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間(143 kHz)。CAN通信模塊和串口通信模塊能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與快速通信。
2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊
根據(jù)采樣定理：設(shè)信號采樣周期為TS，采樣頻率為f=1/TS，則采樣頻率必須大于或等于信號最高頻率的兩倍。為確保采樣后離散信號能恢復(fù)到原來的連續(xù)信號，需要遵循采樣定理，否則將會(huì)出現(xiàn)信號的嚴(yán)重畸變。因此需要首先找到所采集信號的最高頻率。
在加速換擋過程中，加油沖車后，要求在松油門的同時(shí)踩下離合器,松油門與踩離合動(dòng)作之間的時(shí)間差，反映了兩者的配合熟練與合理程度，以熟練駕駛員為依據(jù)，此時(shí)間差非常小，趨近于零[4]。挑選了10名等級駕駛員分別進(jìn)行加速換擋過程，以500 Hz的采樣頻率采集該過程離合器踏板與油門踏板的信號。松油門與踩離合動(dòng)作之間的平均時(shí)間差為0.052 s。根據(jù)采樣定理，要想得到該信號的真實(shí)信息，信號采樣頻率至少為39 Hz。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采樣頻率取被采樣信號最高頻率的5~10倍[2]。本文設(shè)置信號采樣頻率為100 Hz。
駕駛動(dòng)作記錄儀利用MC9S12XDP512芯片內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號采集。按照傳感器選型方案設(shè)計(jì)8個(gè)傳感器接口。采用ECT定時(shí)中斷的方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的定時(shí)采集，由于A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)的寫入所需時(shí)間小于1 000個(gè)周期，定時(shí)器的時(shí)鐘周期設(shè)置為4 μs，因此設(shè)置1 250個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)中斷，中斷的周期大約為10 ms，即設(shè)置的采樣頻率為100 Hz。
2.2.3 U盤/SD卡讀寫模塊模塊
駕駛動(dòng)作記錄儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用PB375單芯片，通過與微處理器進(jìn)行串口通信實(shí)現(xiàn)駕駛訓(xùn)練動(dòng)作數(shù)據(jù)的U盤存儲(chǔ)。
2.2.4 電源模塊
車載電源電壓為24 V，而傳感器所需電壓和單片機(jī)系統(tǒng)及各功能模塊所需電壓分別為5 V，因此駕駛動(dòng)作記錄儀在電源設(shè)計(jì)上采用雙電源5 V供電模式，以避免傳感器外部短路造成微處理器等器件損壞。
2.2.5 按鍵開關(guān)
駕駛動(dòng)作記錄儀設(shè)計(jì)了電源開關(guān)和信號采集開關(guān)。電源開關(guān)實(shí)現(xiàn)記錄儀供電、斷電；信號采集開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號采集開始和信號采集結(jié)束。
2.3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)和定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì)兩部分。主控程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化，操縱每個(gè)模塊的硬件設(shè)備并與之交互數(shù)據(jù)，而各個(gè)模塊用中斷的方式向主控程序發(fā)出請求，要求主控程序完成相應(yīng)的操作。
主程序運(yùn)行后，首先進(jìn)行初始化，然后查詢是否有串口通信介質(zhì)。如果沒有串口通信介質(zhì)，則一直處于查詢狀態(tài)；如果有串口通信介質(zhì)，則創(chuàng)建txt文件，并打開定時(shí)中斷，判斷信號采集開關(guān)狀態(tài)。如果信號采集開關(guān)斷開，則關(guān)閉定時(shí)中斷，并關(guān)閉介質(zhì)讀寫；如果信號采集開關(guān)閉合，則繼續(xù)判斷是否為采集寫入狀態(tài)。如果是采集寫入狀態(tài)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，然后存入串口通信介質(zhì)，完成一個(gè)采樣周期后關(guān)閉定時(shí)中斷；如果不是采集寫入狀態(tài)，則返回上一級判斷。
定時(shí)中斷按照定時(shí)器的時(shí)鐘周期通過中斷的開關(guān)完成對信號的定時(shí)采集。
基本程序流程圖如圖3所示。
3 系統(tǒng)應(yīng)用
在實(shí)車上布置駕駛操作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，駕駛員完成起車和一擋換二擋操作過程。將U盤存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入基于Labwindows軟件設(shè)計(jì)的信號處理程序，完成駕駛數(shù)據(jù)的讀取。圖4所示為該駕駛過程中油門踏板、主離合器踏板、變速桿、制動(dòng)器踏板等操縱件的狀態(tài)變化和車輛狀態(tài)變化的曲線圖。橫軸表示采樣時(shí)長(17 s)，縱軸表示各采集要素隨時(shí)間的狀態(tài)變化（單位V）。
本文自主設(shè)計(jì)了駕駛操作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對駕駛訓(xùn)練過程中駕駛員的操作動(dòng)作和車輛狀態(tài)信息的數(shù)字化記錄。利用該數(shù)字化信息可以實(shí)現(xiàn)駕駛操作的定量分析，對深入研究駕駛訓(xùn)練規(guī)律，提高駕駛訓(xùn)練的效率具有重要意義。另外，可以進(jìn)一步探索智能識(shí)別駕駛動(dòng)作的方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對駕駛技能的智能化評判，以及探索信息化條件下新的訓(xùn)練方式。
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