摘 要： 换挡操作是驾驶过程中经常采用的改善车辆动力与速度之间的关系，以提高车辆对于路面适应能力的一种方法。通过实车数据采集，对得到的离合操作数据应用MATLAB进行编程处理，去除数据曲线中的“毛刺”并得到离合踏板踏下及抬起的时刻、速度、持续时间等信息。通过定量描述驾驶操作过程，便于驾驶评价的实施。
关键词： 坦克驾驶；离合操作；数据处理
驾驶训练是我军坦克装甲部队需要面临的经常性工作，是提高部队战斗力，发挥坦克装甲部队机动性、灵活性的重要基础。驾驶技能评价作为考评驾驶训练效果、检验驾驶训练水平的考核方法，对于及时纠正驾驶过程中存在的问题和提高部队训练效率具有重要作用。但是传统的人工考核方式由于人为因素影响比重偏大，不能很好地达到预期的效果。为适应现代化条件下的军事训练转型，采用先进的传感器技术、通信技术及计算机技术解决以往考评方式存在的难以量化分析的问题并建立相应数据库供综合评价成为部队坦克装甲车辆驾驶训练发展的必然趋势[1-2]。
1 传感器安装及数据采集
驾驶员操纵的部件包括油门、制动、离合、挡位杆及操纵杆等都是安装在各自的轴上具有固定行程的操纵件，其中，挡位杆位移在-50 mm~+50 mm范围内，其他杆件在0~100 mm之间。通过安装相应的传感器采集评价驾驶操作的指标数据，对驾驶员的驾驶操作过程进行评判。通常来说，采集的数据不能直接用于评价，按照要求，首先需要将很多带有“毛刺”的数据进行平滑处理，这样做是为了最大限度地排除非正常操作的误差干扰，突变引起的数据变化会影响到整个数据判别特征研究过程。
1.1 传感器安装
根据驾驶操纵部件的特点，选用拉线式位移传感器作为数据采集传感器。拉线式位移传感器结合了直线式位移传感器和旋转角度传感器的特点，具有结构简单、灵活性好、精度高且适应性好的特点。将其安装在坦克内装甲板固定支架上，利用传感器底部的4个固定螺丝固定，保证钢绳的拉出和收回不会将传感器自身带动，确保精确度[3]。
1.2 采集数据
传感器安装好之后，将电源接通，实车进行试验，坦克在行驶的过程中需要将驾驶操纵部件至少全部操纵3遍，以方便特征提取、数据处理和误差排除等。采集的数据以矩阵的方式存储在介质中。采集到的信号包括离合、制动、油门、挡位、左侧操纵杆、右侧操纵杆、发动机转速及车速等。
2 离合操作数据处理方法及过程
离合操作按照《装甲兵驾驶专业技术教范》中的规定，要求踏下离合器踏板迅速，松离合踏板时分为两个过程：前2/3平稳，控制好松的速度和时机，后1/3可以快松。按照这样的操作过程，离合器松开时就可以得到6个转折点，通过编程寻找到这6个转折点，就可以确定踏下离合器踏板及松开的时机，判定驾驶员是否按照操作规程和要领操作离合器踏板。此外，确定了数据采集的频率f，采集过程按照时域分布，经过傅里叶时频转换成频率域分布，通过f轴区间的长短及此时进行的操作，来确定踏下或者松开的速度及持续时间[4]。
对数据进行处理是为了突出离合器操作特征，便于识别操作过程，判断是否有错误操作、操作持续时间及操作速度等。
2.1 三点平均法
三点平均法就是对一个按时间序列排序的数据矩阵采用小范围去杂处理的一种方式，对表1所示的一列数据，用三点平均法处理：
，得到新的数据如表2所示。
其中j1和jn不变，中间的所有数据都需要经过平均法处理，这样做的好处是在一定程度上减少非正常操作引起的数据变化的干扰。
2.2 五点平均法
五点平均法的原理与三点平均法一样，不同的是它的首尾各两个数不变，用五点平均法处理：
得到新的数据如表3所示。
2.3 方法的选择
选择转折点判定、平滑处理、波动量和准确性4个指标来对比判定两种方法各自的优缺点，如表4所示。图1所示为两种方法的处理结果对比图。
对比来看，虽然三点平均法在平滑处理上比五点平均法稍差一些，但是在动作操作的转折点判定上要比五点更加准确。由于本文在选择处理方法的过程中要求能够得到转折点、速度、时间、位移量等多个数据，因此对于转折点的准确性要求比较高，综合考虑，选择三点平均法作为本文采用的数据处理方法。
2.4 波动量阈值设定
波动量阈值设定是去除非正常操作数据变化的关键，如果设定的阈值太大，会影响到驾驶员踏下或者松开离合器踏板时刻的判定；如果设定的阈值太小，则不足以将车辆振动及其他非正常操作引起的位移数据变化情况排除掉。经过编程反复运行实践，设定的波动量阈值范围分别为230±6 mm、29±6 mm及140±20 mm，分别对应原始位置离合器纵拉杆位移量、踩到底时纵拉杆位移量及总行程1/3处判定的位置，由于1/3的位置点没有固定的参照点，因此选择的波动量稍大一些，实际判定过程中，只要动作符合过程要求，且在设定的波动量范围内，就可以判定驾驶员的松离合操作过程正确，操作动作则要通过时间、速度及位移量来判定。
2.5 数据处理结果及对比
选择一次踩离合过程作为研究对象，数据处理前后曲线对比如图2所示。
从原始曲线与处理后曲线之间的对比可以明显看出，经过处理之后的离合器踏板位移变化曲线要比原始位移曲线平滑，90%以上的“毛刺”已经得到了很好的处理，这样在进行下一步的处理和特性研究时就变得容易许多。
3 位置点判定
判定离合器踏下及松开时刻的位置点是为了准确描述离合器操作特性必要的过程。原理是通过设定位移波动量阈值来比较排除非正常操作引起的位移量变化。正常的离合器操作应当是一组连续变化的过程，因此在判定的过程中，先采用三点平均法进行多次平滑处理，得到新的数据曲线，而后再通过对比变化的位移值xi（i=0，1，…，n）与原始位移x的差值dx与设定的阈值dj（j=1，2，3）的比较来决定是否对这个点进行处理或者舍弃[5]。
（1）位移差值dx的比较
dx=|xi-x|，i=0，1，…，n（1）
车辆行驶过程中，由于本身的振动或者路面不平引起的颠振会导致离合器纵拉杆位移围绕原始位移来回波动，每一次数据采集的点都会记录一次此时纵拉杆位移的数值，即可理解为离合器踏板位置。与原始位移值相比，采集到的位移值时高时低，所以处理的第一步是将它们做差值计算。正负符号不定，需要做绝对值处理，因为在下一步的比较中，需要排除符号对于处理结果的影响。
（2）突变位移点的处理
xi=x+dj dx>dj且dx（i-5）≤dj，dx（i+5）≤djxi=xi dx≤dj（2）
式（2）表示当位移差值dx比本过程设定的阈值dj（j=1，2，3）大且向前推5个点和向后推5个点的值比阈值小（这里的5是通过试验得出的经验值，只适用于本研究对象，如果需作他用，视情况改变值的大小来调整范围）时，就认为这个点是突变点，属于非正常操作产生的突变位移，得到这样的点之后需要将它的值变成最相近的阈值，例如某一初始的数值为240 mm，大于236 mm的最大限，则将236 mm值赋给240 mm，使之变成数据波动允许的最大值236 mm。
（3）平滑处理及转折点判定结果
平滑处理结果及转折点判定如图3所示。
从图3可以看出，选择三点平均进行20次以上的平滑处理结果与五点平均处理结果相差无几，但是从提高效率及降低数据处理复杂程度的角度来看，三点平均处理法更适合；此外，离合操作的三个阶段共6个起止点能够通过程序准确地判定出来。
数据采集频率f设定为50 Hz，从数据曲线示意结果来看，设踏离合持续时间为t1，数据采集次数n1约为30，则t1=30/50 s=0.6 s。分别将离合踏下持续时间到离合第二次松开持续时间设为ti（i=1，2，3，4，5），各阶段持续时间如表5所示。
原始位移为sy=0.23 m，离合踩到底时位移数值为sd=0.029 m，此次操作的半离合点位移大约为sb=0.143 m，可以计算出各个部分的操作速度和离合踏板松开程度：踏下离合踏板的速度v1=（sy-sd）/t1=0.335 m/s，同理可得其他区间段的速度，如表6所示。
从表6可知，离合踏板从踏下到最后完全松开的整个过程动作要素比较全，符合“快—慢—快”的操纵规范，对于关键点的把握上，sb=0.143 m，在140±20 mm范围内，所以半离合点的掌握比较准确，说明该驾驶员的驾驶技能和驾驶经验比较丰富，但是这仅仅是评价驾驶员驾驶技能的一个方面的指标，驾驶员操纵技能的评价还包括油门控制、操纵杆操纵时机及操纵量的把握等，提供这样的数据处理方法可以对采集的驾驶数据进行相应的处理，得到合理的评价结果。
以MATLAB作为数据处理工具，通过三点平均法及五点平均法两种方法的对比分析，选择三点平均法对数据进行处理，平滑结果表明，经过不少于20次的处理，能够达到预期的效果；采取逐个比较的方式进行了位置转折点的判定，为评价离合操作水平奠定了基础，实现了对驾驶换挡过程中离合器操作数据的处理。
参考文献
[1] 王洪彦，岳英杰.装甲车辆驾驶训练法教程[M].北京：国防工业出版社，2007.
[2] 明波，荆强，王玉栋，等.坦克驾驶[M].北京：中国人民解放军装甲兵工程学院运用室，2003.
[3] 王玉春，申兆亮，高尚宇，等.光电转角传感器在汽车上的应用[J].农机化研究，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] 刘义乐，毕占东，刘俊岩.基于操纵件位移数据的车辆换档动作识别方法[J].装甲兵工程学院院报，2011，25（1）：45-48.