摘 要： 換擋操作是駕駛過程中經(jīng)常采用的改善車輛動(dòng)力與速度之間的關(guān)系，以提高車輛對于路面適應(yīng)能力的一種方法。通過實(shí)車數(shù)據(jù)采集，對得到的離合操作數(shù)據(jù)應(yīng)用MATLAB進(jìn)行編程處理，去除數(shù)據(jù)曲線中的“毛刺”并得到離合踏板踏下及抬起的時(shí)刻、速度、持續(xù)時(shí)間等信息。通過定量描述駕駛操作過程，便于駕駛評價(jià)的實(shí)施。
關(guān)鍵詞： 坦克駕駛；離合操作；數(shù)據(jù)處理
駕駛訓(xùn)練是我軍坦克裝甲部隊(duì)需要面臨的經(jīng)常性工作，是提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，發(fā)揮坦克裝甲部隊(duì)機(jī)動(dòng)性、靈活性的重要基礎(chǔ)。駕駛技能評價(jià)作為考評駕駛訓(xùn)練效果、檢驗(yàn)駕駛訓(xùn)練水平的考核方法，對于及時(shí)糾正駕駛過程中存在的問題和提高部隊(duì)訓(xùn)練效率具有重要作用。但是傳統(tǒng)的人工考核方式由于人為因素影響比重偏大，不能很好地達(dá)到預(yù)期的效果。為適應(yīng)現(xiàn)代化條件下的軍事訓(xùn)練轉(zhuǎn)型，采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)解決以往考評方式存在的難以量化分析的問題并建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫供綜合評價(jià)成為部隊(duì)坦克裝甲車輛駕駛訓(xùn)練發(fā)展的必然趨勢[1-2]。
1 傳感器安裝及數(shù)據(jù)采集
駕駛員操縱的部件包括油門、制動(dòng)、離合、擋位桿及操縱桿等都是安裝在各自的軸上具有固定行程的操縱件，其中，擋位桿位移在-50 mm~+50 mm范圍內(nèi)，其他桿件在0~100 mm之間。通過安裝相應(yīng)的傳感器采集評價(jià)駕駛操作的指標(biāo)數(shù)據(jù)，對駕駛員的駕駛操作過程進(jìn)行評判。通常來說，采集的數(shù)據(jù)不能直接用于評價(jià)，按照要求，首先需要將很多帶有“毛刺”的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，這樣做是為了最大限度地排除非正常操作的誤差干擾，突變引起的數(shù)據(jù)變化會(huì)影響到整個(gè)數(shù)據(jù)判別特征研究過程。
1.1 傳感器安裝
根據(jù)駕駛操縱部件的特點(diǎn)，選用拉線式位移傳感器作為數(shù)據(jù)采集傳感器。拉線式位移傳感器結(jié)合了直線式位移傳感器和旋轉(zhuǎn)角度傳感器的特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活性好、精度高且適應(yīng)性好的特點(diǎn)。將其安裝在坦克內(nèi)裝甲板固定支架上，利用傳感器底部的4個(gè)固定螺絲固定，保證鋼繩的拉出和收回不會(huì)將傳感器自身帶動(dòng)，確保精確度[3]。
1.2 采集數(shù)據(jù)
傳感器安裝好之后，將電源接通，實(shí)車進(jìn)行試驗(yàn)，坦克在行駛的過程中需要將駕駛操縱部件至少全部操縱3遍，以方便特征提取、數(shù)據(jù)處理和誤差排除等。采集的數(shù)據(jù)以矩陣的方式存儲(chǔ)在介質(zhì)中。采集到的信號(hào)包括離合、制動(dòng)、油門、擋位、左側(cè)操縱桿、右側(cè)操縱桿、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及車速等。
2 離合操作數(shù)據(jù)處理方法及過程
離合操作按照《裝甲兵駕駛專業(yè)技術(shù)教范》中的規(guī)定，要求踏下離合器踏板迅速，松離合踏板時(shí)分為兩個(gè)過程：前2/3平穩(wěn)，控制好松的速度和時(shí)機(jī)，后1/3可以快松。按照這樣的操作過程，離合器松開時(shí)就可以得到6個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通過編程尋找到這6個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，就可以確定踏下離合器踏板及松開的時(shí)機(jī)，判定駕駛員是否按照操作規(guī)程和要領(lǐng)操作離合器踏板。此外，確定了數(shù)據(jù)采集的頻率f，采集過程按照時(shí)域分布，經(jīng)過傅里葉時(shí)頻轉(zhuǎn)換成頻率域分布，通過f軸區(qū)間的長短及此時(shí)進(jìn)行的操作，來確定踏下或者松開的速度及持續(xù)時(shí)間[4]。
對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是為了突出離合器操作特征，便于識(shí)別操作過程，判斷是否有錯(cuò)誤操作、操作持續(xù)時(shí)間及操作速度等。
2.1 三點(diǎn)平均法
三點(diǎn)平均法就是對一個(gè)按時(shí)間序列排序的數(shù)據(jù)矩陣采用小范圍去雜處理的一種方式，對表1所示的一列數(shù)據(jù)，用三點(diǎn)平均法處理：
，得到新的數(shù)據(jù)如表2所示。
其中j1和jn不變，中間的所有數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過平均法處理，這樣做的好處是在一定程度上減少非正常操作引起的數(shù)據(jù)變化的干擾。
2.2 五點(diǎn)平均法
五點(diǎn)平均法的原理與三點(diǎn)平均法一樣，不同的是它的首尾各兩個(gè)數(shù)不變，用五點(diǎn)平均法處理：
得到新的數(shù)據(jù)如表3所示。
2.3 方法的選擇
選擇轉(zhuǎn)折點(diǎn)判定、平滑處理、波動(dòng)量和準(zhǔn)確性4個(gè)指標(biāo)來對比判定兩種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如表4所示。圖1所示為兩種方法的處理結(jié)果對比圖。
對比來看，雖然三點(diǎn)平均法在平滑處理上比五點(diǎn)平均法稍差一些，但是在動(dòng)作操作的轉(zhuǎn)折點(diǎn)判定上要比五點(diǎn)更加準(zhǔn)確。由于本文在選擇處理方法的過程中要求能夠得到轉(zhuǎn)折點(diǎn)、速度、時(shí)間、位移量等多個(gè)數(shù)據(jù)，因此對于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的準(zhǔn)確性要求比較高，綜合考慮，選擇三點(diǎn)平均法作為本文采用的數(shù)據(jù)處理方法。
2.4 波動(dòng)量閾值設(shè)定
波動(dòng)量閾值設(shè)定是去除非正常操作數(shù)據(jù)變化的關(guān)鍵，如果設(shè)定的閾值太大，會(huì)影響到駕駛員踏下或者松開離合器踏板時(shí)刻的判定；如果設(shè)定的閾值太小，則不足以將車輛振動(dòng)及其他非正常操作引起的位移數(shù)據(jù)變化情況排除掉。經(jīng)過編程反復(fù)運(yùn)行實(shí)踐，設(shè)定的波動(dòng)量閾值范圍分別為230±6 mm、29±6 mm及140±20 mm，分別對應(yīng)原始位置離合器縱拉桿位移量、踩到底時(shí)縱拉桿位移量及總行程1/3處判定的位置，由于1/3的位置點(diǎn)沒有固定的參照點(diǎn)，因此選擇的波動(dòng)量稍大一些，實(shí)際判定過程中，只要?jiǎng)幼鞣线^程要求，且在設(shè)定的波動(dòng)量范圍內(nèi)，就可以判定駕駛員的松離合操作過程正確，操作動(dòng)作則要通過時(shí)間、速度及位移量來判定。
2.5 數(shù)據(jù)處理結(jié)果及對比
選擇一次踩離合過程作為研究對象，數(shù)據(jù)處理前后曲線對比如圖2所示。
從原始曲線與處理后曲線之間的對比可以明顯看出，經(jīng)過處理之后的離合器踏板位移變化曲線要比原始位移曲線平滑，90%以上的“毛刺”已經(jīng)得到了很好的處理，這樣在進(jìn)行下一步的處理和特性研究時(shí)就變得容易許多。
3 位置點(diǎn)判定
判定離合器踏下及松開時(shí)刻的位置點(diǎn)是為了準(zhǔn)確描述離合器操作特性必要的過程。原理是通過設(shè)定位移波動(dòng)量閾值來比較排除非正常操作引起的位移量變化。正常的離合器操作應(yīng)當(dāng)是一組連續(xù)變化的過程，因此在判定的過程中，先采用三點(diǎn)平均法進(jìn)行多次平滑處理，得到新的數(shù)據(jù)曲線，而后再通過對比變化的位移值xi（i=0，1，…，n）與原始位移x的差值dx與設(shè)定的閾值dj（j=1，2，3）的比較來決定是否對這個(gè)點(diǎn)進(jìn)行處理或者舍棄[5]。
（1）位移差值dx的比較
dx=|xi-x|，i=0，1，…，n（1）
車輛行駛過程中，由于本身的振動(dòng)或者路面不平引起的顛振會(huì)導(dǎo)致離合器縱拉桿位移圍繞原始位移來回波動(dòng)，每一次數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)都會(huì)記錄一次此時(shí)縱拉桿位移的數(shù)值，即可理解為離合器踏板位置。與原始位移值相比，采集到的位移值時(shí)高時(shí)低，所以處理的第一步是將它們做差值計(jì)算。正負(fù)符號(hào)不定，需要做絕對值處理，因?yàn)樵谙乱徊降谋容^中，需要排除符號(hào)對于處理結(jié)果的影響。
?。?）突變位移點(diǎn)的處理
xi=x+dj dx>dj且dx（i-5）≤dj，dx（i+5）≤djxi=xi dx≤dj（2）
式（2）表示當(dāng)位移差值dx比本過程設(shè)定的閾值dj（j=1，2，3）大且向前推5個(gè)點(diǎn)和向后推5個(gè)點(diǎn)的值比閾值?。ㄟ@里的5是通過試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)值，只適用于本研究對象，如果需作他用，視情況改變值的大小來調(diào)整范圍）時(shí)，就認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)是突變點(diǎn)，屬于非正常操作產(chǎn)生的突變位移，得到這樣的點(diǎn)之后需要將它的值變成最相近的閾值，例如某一初始的數(shù)值為240 mm，大于236 mm的最大限，則將236 mm值賦給240 mm，使之變成數(shù)據(jù)波動(dòng)允許的最大值236 mm。
（3）平滑處理及轉(zhuǎn)折點(diǎn)判定結(jié)果
平滑處理結(jié)果及轉(zhuǎn)折點(diǎn)判定如圖3所示。
從圖3可以看出，選擇三點(diǎn)平均進(jìn)行20次以上的平滑處理結(jié)果與五點(diǎn)平均處理結(jié)果相差無幾，但是從提高效率及降低數(shù)據(jù)處理復(fù)雜程度的角度來看，三點(diǎn)平均處理法更適合；此外，離合操作的三個(gè)階段共6個(gè)起止點(diǎn)能夠通過程序準(zhǔn)確地判定出來。
數(shù)據(jù)采集頻率f設(shè)定為50 Hz，從數(shù)據(jù)曲線示意結(jié)果來看，設(shè)踏離合持續(xù)時(shí)間為t1，數(shù)據(jù)采集次數(shù)n1約為30，則t1=30/50 s=0.6 s。分別將離合踏下持續(xù)時(shí)間到離合第二次松開持續(xù)時(shí)間設(shè)為ti（i=1，2，3，4，5），各階段持續(xù)時(shí)間如表5所示。
原始位移為sy=0.23 m，離合踩到底時(shí)位移數(shù)值為sd=0.029 m，此次操作的半離合點(diǎn)位移大約為sb=0.143 m，可以計(jì)算出各個(gè)部分的操作速度和離合踏板松開程度：踏下離合踏板的速度v1=（sy-sd）/t1=0.335 m/s，同理可得其他區(qū)間段的速度，如表6所示。
從表6可知，離合踏板從踏下到最后完全松開的整個(gè)過程動(dòng)作要素比較全，符合“快—慢—快”的操縱規(guī)范，對于關(guān)鍵點(diǎn)的把握上，sb=0.143 m，在140±20 mm范圍內(nèi)，所以半離合點(diǎn)的掌握比較準(zhǔn)確，說明該駕駛員的駕駛技能和駕駛經(jīng)驗(yàn)比較豐富，但是這僅僅是評價(jià)駕駛員駕駛技能的一個(gè)方面的指標(biāo)，駕駛員操縱技能的評價(jià)還包括油門控制、操縱桿操縱時(shí)機(jī)及操縱量的把握等，提供這樣的數(shù)據(jù)處理方法可以對采集的駕駛數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，得到合理的評價(jià)結(jié)果。
以MATLAB作為數(shù)據(jù)處理工具，通過三點(diǎn)平均法及五點(diǎn)平均法兩種方法的對比分析，選擇三點(diǎn)平均法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，平滑結(jié)果表明，經(jīng)過不少于20次的處理，能夠達(dá)到預(yù)期的效果；采取逐個(gè)比較的方式進(jìn)行了位置轉(zhuǎn)折點(diǎn)的判定，為評價(jià)離合操作水平奠定了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對駕駛換擋過程中離合器操作數(shù)據(jù)的處理。
參考文獻(xiàn)
[1] 王洪彥，岳英杰.裝甲車輛駕駛訓(xùn)練法教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.
[2] 明波，荊強(qiáng)，王玉棟，等.坦克駕駛[M].北京：中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院運(yùn)用室，2003.
[3] 王玉春，申兆亮，高尚宇，等.光電轉(zhuǎn)角傳感器在汽車上的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2001（3）：109-113.
[4] DASILVA M P. Analysis of event data recorder data for vehicle safety improvement[R]. Cambridge： U.S Department of Transportation Research and Innovative Technology Administration， 2008.
[5] 劉義樂，畢占東，劉俊巖.基于操縱件位移數(shù)據(jù)的車輛換檔動(dòng)作識(shí)別方法[J].裝甲兵工程學(xué)院院報(bào)，2011，25（1）：45-48.