摘  要： 換擋操作是駕駛過程中經(jīng)常采用的改善車輛動力與速度之間的關系，以提高車輛對于路面適應能力的一種方法。通過實車數(shù)據(jù)采集，對得到的離合操作數(shù)據(jù)應用MATLAB進行編程處理，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刻、速度、持續(xù)時間等信息。通過定量描述駕駛操作過程，便于駕駛評價的實施。

　　關鍵詞： 坦克駕駛；離合操作；數(shù)據(jù)處理

　　駕駛訓練是我軍坦克裝甲部隊需要面臨的經(jīng)常性工作，是提高部隊戰(zhàn)斗力，發(fā)揮坦克裝甲部隊機動性、靈活性的重要基礎。駕駛技能評價作為考評駕駛訓練效果、檢驗駕駛訓練水平的考核方法，對于及時糾正駕駛過程中存在的問題和提高部隊訓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，不能很好地達到預期的效果。為適應現(xiàn)代化條件下的軍事訓練轉型，采用先進的傳感器技術、通信技術及計算機技術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數(shù)據(jù)庫供綜合評價成為部隊坦克裝甲車輛駕駛訓練發(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、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。通過安裝相應的傳感器采集評價駕駛操作的指標數(shù)據(jù)，對駕駛員的駕駛操作過程進行評判。通常來說，采集的數(shù)據(jù)不能直接用于評價，按照要求，首先需要將很多帶有“毛刺”的數(shù)據(jù)進行平滑處理，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)變化會影響到整個數(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，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合了直線式位移傳感器和旋轉角度傳感器的特點，具有結構簡單、靈活性好、精度高且適應性好的特點。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個固定螺絲固定，保證鋼繩的拉出和收回不會將傳感器自身帶動，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，實車進行試驗，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)以矩陣的方式存儲在介質中。采集到的信號包括離合、制動、油門、擋位、左側操縱桿、右側操縱桿、發(fā)動機轉速及車速等。

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)技術教范》中的規(guī)定，要求踏下離合器踏板迅速，松離合踏板時分為兩個過程：前2/3平穩(wěn)，控制好松的速度和時機，后1/3可以快松。按照這樣的操作過程，離合器松開時就可以得到6個轉折點，通過編程尋找到這6個轉折點，就可以確定踏下離合器踏板及松開的時機，判定駕駛員是否按照操作規(guī)程和要領操作離合器踏板。此外，確定了數(shù)據(jù)采集的頻率f，采集過程按照時域分布，經(jīng)過傅里葉時頻轉換成頻率域分布，通過f軸區(qū)間的長短及此時進行的操作，來確定踏下或者松開的速度及持續(xù)時間[4]。

　　對數(shù)據(jù)進行處理是為了突出離合器操作特征，便于識別操作過程，判斷是否有錯誤操作、操作持續(xù)時間及操作速度等。

　　2.1 三點平均法

　　三點平均法就是對一個按時間序列排序的數(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 五點平均法

　　五點平均法的原理與三點平均法一樣，不同的是它的首尾各兩個數(shù)不變，用五點平均法處理：

得到新的數(shù)據(jù)如表3所示。

　　2.3 方法的選擇

　　選擇轉折點判定、平滑處理、波動量和準確性4個指標來對比判定兩種方法各自的優(yōu)缺點，如表4所示。圖1所示為兩種方法的處理結果對比圖。

　　對比來看，雖然三點平均法在平滑處理上比五點平均法稍差一些，但是在動作操作的轉折點判定上要比五點更加準確。由于本文在選擇處理方法的過程中要求能夠得到轉折點、速度、時間、位移量等多個數(shù)據(jù)，因此對于轉折點的準確性要求比較高，綜合考慮，選擇三點平均法作為本文采用的數(shù)據(jù)處理方法。

　　2.4 波動量閾值設定

　　波動量閾值設定是去除非正常操作數(shù)據(jù)變化的關鍵，如果設定的閾值太大，會影響到駕駛員踏下或者松開離合器踏板時刻的判定；如果設定的閾值太小，則不足以將車輛振動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)過編程反復運行實踐，設定的波動量閾值范圍分別為230±6 mm、29±6 mm及140±20 mm，分別對應原始位置離合器縱拉桿位移量、踩到底時縱拉桿位移量及總行程1/3處判定的位置，由于1/3的位置點沒有固定的參照點，因此選擇的波動量稍大一些，實際判定過程中，只要動作符合過程要求，且在設定的波動量范圍內(nèi)，就可以判定駕駛員的松離合操作過程正確，操作動作則要通過時間、速度及位移量來判定。

　　2.5 數(shù)據(jù)處理結果及對比

　　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，這樣在進行下一步的處理和特性研究時就變得容易許多。

　　3 位置點判定

　　判定離合器踏下及松開時刻的位置點是為了準確描述離合器操作特性必要的過程。原理是通過設定位移波動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當是一組連續(xù)變化的過程，因此在判定的過程中，先采用三點平均法進行多次平滑處理，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與設定的閾值dj（j=1，2，3）的比較來決定是否對這個點進行處理或者舍棄[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，由于本身的振動或者路面不平引起的顛振會導致離合器縱拉桿位移圍繞原始位移來回波動，每一次數(shù)據(jù)采集的點都會記錄一次此時縱拉桿位移的數(shù)值，即可理解為離合器踏板位置。與原始位移值相比，采集到的位移值時高時低，所以處理的第一步是將它們做差值計算。正負符號不定，需要做絕對值處理，因為在下一步的比較中，需要排除符號對于處理結果的影響。

　?。?）突變位移點的處理

　　xi=x+dj dx>dj且dx（i-5）≤dj，dx（i+5）≤djxi=xi   dx≤dj（2）

　　式（2）表示當位移差值dx比本過程設定的閾值dj（j=1，2，3）大且向前推5個點和向后推5個點的值比閾值?。ㄟ@里的5是通過試驗得出的經(jīng)驗值，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整范圍）時，就認為這個點是突變點，屬于非正常操作產(chǎn)生的突變位移，得到這樣的點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)波動允許的最大值236 mm。

　　（3）平滑處理及轉折點判定結果

　　平滑處理結果及轉折點判定如圖3所示。

　　從圖3可以看出，選擇三點平均進行20次以上的平滑處理結果與五點平均處理結果相差無幾，但是從提高效率及降低數(shù)據(jù)處理復雜程度的角度來看，三點平均處理法更適合；此外，離合操作的三個階段共6個起止點能夠通過程序準確地判定出來。

　　數(shù)據(jù)采集頻率f設定為50 Hz，從數(shù)據(jù)曲線示意結果來看，設踏離合持續(xù)時間為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)時間到離合第二次松開持續(xù)時間設為ti（i=1，2，3，4，5），各階段持續(xù)時間如表5所示。

　　原始位移為sy=0.23 m，離合踩到底時位移數(shù)值為sd=0.029 m，此次操作的半離合點位移大約為sb=0.143 m，可以計算出各個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過程動作要素比較全，符合“快—慢—快”的操縱規(guī)范，對于關鍵點的把握上，sb=0.143 m，在140±20 mm范圍內(nèi)，所以半離合點的掌握比較準確，說明該駕駛員的駕駛技能和駕駛經(jīng)驗比較豐富，但是這僅僅是評價駕駛員駕駛技能的一個方面的指標，駕駛員操縱技能的評價還包括油門控制、操縱桿操縱時機及操縱量的把握等，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)進行相應的處理，得到合理的評價結果。

　　以MATLAB作為數(shù)據(jù)處理工具，通過三點平均法及五點平均法兩種方法的對比分析，選擇三點平均法對數(shù)據(jù)進行處理，平滑結果表明，經(jīng)過不少于20次的處理，能夠達到預期的效果；采取逐個比較的方式進行了位置轉折點的判定，為評價離合操作水平奠定了基礎，實現(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

　　[1] 王洪彥，岳英杰.裝甲車輛駕駛訓練法教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

　　[2] 明波，荊強，王玉棟，等.坦克駕駛[M].北京：中國人民解放軍裝甲兵工程學院運用室，2003.

　　[3] 王玉春，申兆亮，高尚宇，等.光電轉角傳感器在汽車上的應用[J].農(nóng)機化研究，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)的車輛換檔動作識別方法[J].裝甲兵工程學院院報，2011，25（1）：45-48.