基于操縱件狀態(tài)時(shí)序變化的車(chē)輛換擋動(dòng)作識(shí)別方法

劉義樂(lè)，劉峻巖，畢占東

(裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系，北京100072)

換擋是坦克駕駛訓(xùn)練的基本內(nèi)容，同時(shí)也是充分發(fā)揮坦克戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要措施。我軍坦克駕駛員基礎(chǔ)訓(xùn)練過(guò)程中，由于缺少信息化的輔助訓(xùn)練手段，教員無(wú)法捕捉和再現(xiàn)駕駛員的操作細(xì)節(jié)，而只能憑借主觀感覺(jué)來(lái)判斷訓(xùn)練效果。為了解決這一問(wèn)題，筆者提出了采用位移傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄各操縱件位移信息，用狀態(tài)矩陣描述操縱件的變化時(shí)序，以給定的駕駛規(guī)則時(shí)序識(shí)別駕駛員特定操作動(dòng)作的新方法，實(shí)現(xiàn)了坦克駕駛動(dòng)作的數(shù)字化描述和智能化識(shí)別，為科學(xué)評(píng)價(jià)駕駛訓(xùn)練效果奠定了理論基礎(chǔ)。

1 坦克駕駛動(dòng)作數(shù)據(jù)的獲取

坦克駕駛艙內(nèi)，所有操縱件都以桿、手柄或者踏板的形式存在，都按照給定軌跡運(yùn)動(dòng)，因此只要能夠?qū)崟r(shí)記錄這些操縱件的運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過(guò)一定處理，就有可能再現(xiàn)駕駛員的操作過(guò)程并進(jìn)行更深層次的動(dòng)作分析。

筆者獲取坦克駕駛動(dòng)作數(shù)據(jù)的方法為:在離合器踏板、一倒擋縱拉桿、二三擋縱拉桿、制動(dòng)器踏板和油門(mén)踏板等5個(gè)操縱件上安裝拉線式位移傳感器，利用YE6260數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄給定時(shí)間段內(nèi)的操縱件位移信息，從而形成各操縱件的位移記錄，如圖1所示。

圖1記錄了上述5個(gè)操縱件在0～16 s內(nèi)的位移信息，共包括一擋起車(chē)、一擋換二擋、二擋換三擋、三擋換一擋等4個(gè)連續(xù)動(dòng)作。以圖中標(biāo)識(shí)的“B”時(shí)間段內(nèi)的動(dòng)作(一擋換二擋)為例，可以看出，按照時(shí)間順序，該駕駛員完成的動(dòng)作包括:1——踏下加油踏板;2——松開(kāi)加油踏板;3——踏下主離合器踏板;4——主離合器踏板踏到底后保持不動(dòng);5——摘一擋;6——空擋;7——開(kāi)始掛二擋;8——掛上二擋;9——松開(kāi)主離合器踏板;10——主離合器踏板回位。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，上述所有位移數(shù)據(jù)以圖2所示的位移數(shù)據(jù)矩陣方式存儲(chǔ)。

圖1 駕駛動(dòng)作曲線

圖2 各操作件位移數(shù)據(jù)矩陣

2 坦克換擋動(dòng)作的識(shí)別

圖1所示的動(dòng)作曲線，很容易看出駕駛員各個(gè)操作動(dòng)作的時(shí)機(jī)、程度和速度等信息，教員可以根據(jù)這些信息深入分析學(xué)員操作動(dòng)作的完成情況和訓(xùn)練效果。但是當(dāng)有大量駕駛操作數(shù)據(jù)時(shí)，必須采用自動(dòng)化的處理方法才能完成上述動(dòng)作信息的識(shí)別，從而形成有價(jià)值的駕駛訓(xùn)練記錄。本文重點(diǎn)討論圖2所示的操縱件位移矩陣中所包含的換擋動(dòng)作自動(dòng)識(shí)別方法。

為了便于敘述，這里引用2個(gè)概念:坦克駕駛的基本動(dòng)作和組合動(dòng)作［1］?；緞?dòng)作是乘員對(duì)駕駛艙內(nèi)某一操縱件所進(jìn)行的一次狀態(tài)改變活動(dòng)，如前文提到的1－10個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程;組合動(dòng)作則是為了達(dá)到某一確定目標(biāo)而進(jìn)行的若干基本動(dòng)作的組合，如圖1中“B”時(shí)間段內(nèi)完成的一擋換二擋動(dòng)作。

換擋動(dòng)作自動(dòng)識(shí)別的思路是:首先識(shí)別出每一個(gè)基本動(dòng)作，然后根據(jù)駕駛教范中規(guī)定的換擋動(dòng)作要領(lǐng)(基本動(dòng)作組合時(shí)序)來(lái)識(shí)別駕駛員的具體換擋動(dòng)作［2－3］。

2.1 操縱件位移數(shù)據(jù)的預(yù)處理過(guò)程

在圖1所示駕駛員動(dòng)作曲線中，每一操縱件的基本動(dòng)作，都表現(xiàn)為該操縱件所對(duì)應(yīng)位移曲線的上升或者下降，因此，可通過(guò)操縱件位移數(shù)據(jù)的增加或者減少來(lái)識(shí)別該操縱件是否動(dòng)作。具體方法為:將圖2所示的操縱件位移數(shù)據(jù)記錄看作一個(gè)位移矩陣D，同時(shí)構(gòu)建另一操作動(dòng)作狀態(tài)矩陣P，按照下述方法，實(shí)現(xiàn)位移矩陣D向狀態(tài)矩陣P的轉(zhuǎn)換。

1)將位移矩陣D轉(zhuǎn)置，使該位移矩陣中的行表示某一操縱件的連續(xù)變化位移，縱列表示不同操縱件。

2)構(gòu)建操作動(dòng)作狀態(tài)矩陣P，其行數(shù)和列數(shù)與位移矩陣D相同;

3)將操作動(dòng)作狀態(tài)矩陣P的第1列全部設(shè)置為 0，即 pi1=0，i=1，2，…，5。

4)設(shè)定一組判定各操縱件是否移動(dòng)的閾值。由于裝甲車(chē)輛行駛條件較為惡劣，在顛簸狀態(tài)下，這些操縱件可能會(huì)有輕微移動(dòng);因此要求所設(shè)定閾值必須大于這種干擾造成的輕微移動(dòng)，但要能夠識(shí)別出駕駛員有意識(shí)的操作動(dòng)作，這里將其設(shè)定為1 mm。

5)用位移矩陣D中的第2列減去第1列，所得到的每列差值與設(shè)定閾值相比較。如果差值大于此閾值或者小于此閾值的相反數(shù)，說(shuō)明該操縱件正在正向(反向)移動(dòng)，動(dòng)作狀態(tài)矩陣中相應(yīng)位置標(biāo)明為“1”或者“－1”;如果小于此閾值，則說(shuō)明該操縱件沒(méi)有移動(dòng)，狀態(tài)矩陣中對(duì)應(yīng)位置標(biāo)明為“0”;

6)重復(fù)步驟4)，直到所有位移數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)矩陣。最后所得到的部分狀態(tài)矩陣P如表1所示。

2.2 操作動(dòng)作狀態(tài)矩陣的特點(diǎn)分析

結(jié)合駕駛動(dòng)作教范，對(duì)表1所示的操作動(dòng)作狀態(tài)矩陣進(jìn)行分析。

1)狀態(tài)矩陣中的某一行反映了單個(gè)操縱件的狀態(tài)變化［4］。該列中，“1”表示正向運(yùn)動(dòng)，“－1”表示反向運(yùn)動(dòng)，“0”表示保持不動(dòng)。由于數(shù)據(jù)采集頻率遠(yuǎn)大于動(dòng)作頻率，所以單個(gè)操縱件的狀態(tài)總是表示該列一段長(zhǎng)度的“1”、“－1”或者“0”的組合。

表1 操作動(dòng)作狀態(tài)矩陣P(一擋換二擋)

2)任何一個(gè)操縱件的運(yùn)動(dòng)都是由靜止－運(yùn)動(dòng)－靜止3種連續(xù)狀態(tài)組成，所以該操縱件的狀態(tài)矩陣總是表現(xiàn)為“00…11…00… －1－1…00”的連續(xù)穩(wěn)定變化過(guò)程。

3)可以動(dòng)作狀態(tài)矩陣中“1”的列數(shù)計(jì)算該操縱件開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻、運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間等操作信息，利用“1”兩端的“0”狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的操縱件位置，實(shí)現(xiàn)該操縱件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程的識(shí)別。

4)狀態(tài)矩陣中的一列代表了同一時(shí)刻不同操縱件的當(dāng)前狀態(tài)［5］，這些狀態(tài)按照時(shí)序排列起來(lái)，可以表示某一組合動(dòng)作中各操縱件的動(dòng)作時(shí)機(jī)、前后時(shí)序關(guān)系和持續(xù)時(shí)間等。

5)在正常情況下的組合動(dòng)作中，各操縱件總是從整體靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始變化，按照教范規(guī)定的動(dòng)作狀態(tài)不斷變化，最后達(dá)到一個(gè)新的靜止?fàn)顟B(tài)。因此可利用所有操縱件兩端共同的靜止?fàn)顟B(tài)“0”之間的矩陣列數(shù)，計(jì)算該組合動(dòng)作的動(dòng)作持續(xù)時(shí)間和各操縱件的動(dòng)作時(shí)序，完成對(duì)操作動(dòng)作訓(xùn)練效果的判斷。

2.3 換擋組合動(dòng)作的自動(dòng)識(shí)別過(guò)程

換擋是坦克駕駛訓(xùn)練的基本內(nèi)容，以一擋換二擋為例，完整的換擋過(guò)程均應(yīng)包括圖1中1－10的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程。這種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程在動(dòng)作狀態(tài)矩陣中呈現(xiàn)出固定的時(shí)序關(guān)系，可利用這種固定的時(shí)序關(guān)系來(lái)識(shí)別給定狀態(tài)矩陣中所包含的換擋組合動(dòng)作。

識(shí)別時(shí)，應(yīng)首先識(shí)別出某擋縱拉桿的基本動(dòng)作，這是換擋組合動(dòng)作的核心內(nèi)容。因?yàn)閾Q擋組合動(dòng)作中，除變速桿動(dòng)作外的其他動(dòng)作，如加油門(mén)、踏離合、制動(dòng)等，即使不在換擋過(guò)程中也可能存在，只有識(shí)別出了該擋位縱拉桿的基本動(dòng)作，繼而才能識(shí)別與該動(dòng)作有一定時(shí)序關(guān)系的其他動(dòng)作，完成整個(gè)換擋組合動(dòng)作的識(shí)別。識(shí)別步驟如下。

1)從狀態(tài)矩陣P中各擋縱拉桿所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)行(第 i行)查找各“0”、“1”或“0”、“－1”的轉(zhuǎn)換時(shí)刻，獲取該時(shí)刻矩陣的列數(shù) i1，i2，i3…。

2)從位移矩陣中查找對(duì)應(yīng)(i，j)位置的位移數(shù)值，與事先標(biāo)定的各擋位位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別出變速桿運(yùn)動(dòng)前后的2個(gè)擋位狀態(tài)。標(biāo)記為類(lèi)似j1=空擋、j2=1擋的識(shí)別結(jié)果。

3)由于換擋總是伴隨著離合器的運(yùn)動(dòng)，并且變速桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，離合器將一直處于踏到底的“0”(靜止)狀態(tài)，因此為了找到踏離合器的初始狀態(tài)點(diǎn)，可以換擋起始時(shí)的0到1轉(zhuǎn)換狀態(tài)(i，j1)點(diǎn)為起點(diǎn)，向前搜索離合器的“0”、“1”轉(zhuǎn)換點(diǎn)。搜索到第1個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)為離合器踏到底的時(shí)刻，然后還應(yīng)繼續(xù)向前搜索，找到整理離合器踏下過(guò)程所對(duì)應(yīng)的連續(xù)的“1”。當(dāng)“1”第2次轉(zhuǎn)換為“0”時(shí)，即為離合器踏下的起始時(shí)刻。

4)同理，換擋結(jié)束后，乘員要松開(kāi)離合器，因此也要找到變速桿由“1”變?yōu)椤?”的時(shí)刻后，離合器由踏到底的“0”到代表松開(kāi)過(guò)程的“－1”再到松到底的“0”時(shí)刻。

按照上述方法，可以識(shí)別出一擋換二擋所對(duì)應(yīng)的10個(gè)操縱狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程恰恰對(duì)應(yīng)著表1中各列操縱動(dòng)作的0列1轉(zhuǎn)換點(diǎn)。具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。因此只要在操作動(dòng)作狀態(tài)矩陣P掃描出如表2“狀態(tài)”欄中所存在的時(shí)序狀態(tài)組合，就可識(shí)別出所采集的位移矩陣D中所包含的一擋換二擋動(dòng)作。

換擋過(guò)程中，如果需要油門(mén)和制動(dòng)的配合，也可以按照上述方法尋找其0到1轉(zhuǎn)換點(diǎn)，并把不同的動(dòng)作轉(zhuǎn)換點(diǎn)排成一定的時(shí)序，從而完成整個(gè)動(dòng)作組合的識(shí)別。

需要說(shuō)明的是，由于不同駕駛員操作熟練程度不同，換擋組合動(dòng)作中某一狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間往往不同，但是這種持續(xù)只能是同一狀態(tài)的重復(fù)出現(xiàn)［6］，而不應(yīng)該出現(xiàn)違背規(guī)定時(shí)序的其他狀態(tài)組合。根據(jù)這一特點(diǎn)，可識(shí)別駕駛員的錯(cuò)誤動(dòng)作。

表2 狀態(tài)矩陣與具體操縱動(dòng)作對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.4 模型驗(yàn)證和局限性分析

按上述方法，對(duì)某學(xué)員實(shí)車(chē)駕駛訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到該學(xué)員換擋動(dòng)作識(shí)別結(jié)果，包括單個(gè)操縱件動(dòng)作時(shí)間，如表3所示。表3的識(shí)別結(jié)果不僅說(shuō)明了本文所提操縱動(dòng)作識(shí)別方法的正確性，而且定量描述了各操縱件動(dòng)作與整個(gè)換擋組合動(dòng)作的時(shí)間關(guān)系，以及學(xué)員換擋的動(dòng)作水平。

表3 某學(xué)員操作動(dòng)作識(shí)別結(jié)果

當(dāng)然，僅靠本文提出的模型不能完全解決駕駛訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)的所有問(wèn)題?；谒杉母鞑倏v件位移信息，只能識(shí)別出這些操縱件的狀態(tài)變化、動(dòng)作時(shí)序以及整個(gè)動(dòng)作的完成時(shí)間，這些結(jié)果是評(píng)價(jià)乘員基礎(chǔ)駕駛動(dòng)作準(zhǔn)確度和熟練度的最重要指標(biāo)。

另外，由于不同乘員的駕駛動(dòng)作習(xí)慣不同，在保證各操縱件動(dòng)作時(shí)序、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)符合給定駕駛規(guī)范的前提下，很難找出一條最佳操作曲線作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，這也是駕駛訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)的復(fù)雜性表現(xiàn)之一。

3 結(jié)論

本文提出了用操縱件位移數(shù)據(jù)記錄乘員動(dòng)作，用狀態(tài)矩陣描述乘員動(dòng)作，用給定的駕駛規(guī)則時(shí)序識(shí)別乘員特定操作動(dòng)作組合的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)坦克駕駛訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化記錄和智能化識(shí)別，其研究成果可為教員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)訓(xùn)練、總結(jié)訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)、評(píng)價(jià)訓(xùn)練效果提供技術(shù)支持。

［1］鄧國(guó)偉，趙建柱，王志強(qiáng).汽車(chē)駕駛?cè)藛T操作過(guò)程的自動(dòng)識(shí)別研究［J］.現(xiàn)代機(jī)械.2007，18(5):85 －87.

［2］劉大健，錢(qián)照明.模糊識(shí)別方法在汽車(chē)模擬駕駛裝置中的應(yīng)用［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào).2003，16(1):122 －125.

［3］劉大健，鄭家龍.基于可能性的仿真模擬操作過(guò)程模式識(shí)別［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào).2002，36(4):437－440.

［4］Chase B J，Corpening K R.A Methodology for State and Transitional Analysis of the M1A2 Abrams Driver's Instrument Panel［R］.ADA 35214.2002.

［5］Headquarters Department of the Army US Marine Corps.Operator's Manual-operator Controls，PMCS，and Operations under U-sual Conditions Volumes 1 and 2-Tank，Combat，F(xiàn)ull-tracked:120 mm Gun M1A1 General Abrams［M］.Washington:GPO，1999:19－25.

［6］程祥.人體動(dòng)作識(shí)別的研究［J］.電腦知識(shí)與技術(shù).2006，20(12):120－123.