基于模糊控制的遠程康復信息采集系統(tǒng)設計

1 引言

遠程康復是一項現(xiàn)代信息及通信技術與康復醫(yī)學相結(jié)合的多學科交叉課題，它可以被定義為：在綜合運用通信、遠程感知、遠程控制、計算機、信息處理等技術的基礎上，實現(xiàn)的遠方康復醫(yī)療服務。

國外在此方面的研究出發(fā)點各有不同，歸納起來，主要是將遠程康復系統(tǒng)當作一種通信手段，來消除輔助器具評價專家與遠方殘疾人士之間的空間障礙，對如何把遠程康復系統(tǒng)本身作為一種輔助器具評價診斷系統(tǒng)，促進康復醫(yī)學的發(fā)展等方面，雖有所提及，但尚未作實質(zhì)性研究。國內(nèi)在這方面的產(chǎn)品，僅見深圳殘聯(lián)自行研制開發(fā)的全國第一個殘疾人遠程康復系統(tǒng)的報導，該系統(tǒng)著眼于專家和病人的溝通與交流，使殘疾人在網(wǎng)上可以向?qū)＜疫M行康復咨詢，得到康復方面的建議。

從目前國內(nèi)外的發(fā)展情況來看，各方的研究都有較大局限，均處在起步階段。因此進行遠程康復系統(tǒng)的研究具有重要的意義。

遠程康復系統(tǒng)中，信息采集系統(tǒng)是其主要的組成部分，如何遠距離對信息采集系統(tǒng)進行有效控制，其實現(xiàn)效果的優(yōu)劣，實現(xiàn)速度的快慢，對整個系統(tǒng)的性能起著關鍵性的作用。由于遠程康復信息采集系統(tǒng)是多變量、非線性的時變系統(tǒng)，很難建立整個同步控制系統(tǒng)的精確數(shù)學模型。因此就需要利用一種有效的控制方法——模糊控制。

2 遠程康復信息采集控制系統(tǒng)的構(gòu)成

遠程康復信息采集控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)就是一個輔助攝像用的機器人，它可以接受指令以某條空間曲線為路徑來觀察患者。此控制系統(tǒng)主要由兩個功能模塊來實現(xiàn)，一是現(xiàn)場站點的PC機，通過Internet來接收遠方站點的控制命令，經(jīng)過模糊控制算法處理之后，再通過RS 232串口傳給單片機處理系統(tǒng)，來控制小車、云臺、攝像機的運動。另外現(xiàn)場站點的PC機還可以將從攝像機采集到的圖像信息根據(jù)要求進行處理，再通過Internet以適當?shù)姆绞匠尸F(xiàn)給遠方站點，供遠方的康復專家和輔助設計廠商診斷、設計之用。二是單片機控制系統(tǒng)，主要用來控制小車、云臺、攝像機的運動，使其能夠到達合適的方位，以便遠方康復專家不受時空限制、實時地觀察患者的身體狀況，進行遠程診斷和評估。單片機控制系統(tǒng)還可以對檢測電機到位等傳感器的信號進行處理，并將控制模糊控制系統(tǒng)執(zhí)行單元的情況反饋給遠方站點。簡單來說，此模糊控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)自動控制裝載信息采集裝置的小車、帶動攝像機的云臺和攝像機的運動，根據(jù)要求采集實時視頻或圖像信息，供診斷和輔助產(chǎn)品設計之用。

3 遠程康復信息采集系統(tǒng)的模糊控制設計

3.1 信息采集系統(tǒng)的模糊控制策略

本系統(tǒng)的輸入變量為：小車到目標的轉(zhuǎn)向角，小車到目標的距離，云臺距離目標的高度，攝像機與目標的方向角和距離，一共6個輸入變量。輸出變量為：小車舵電機的運行速度、方向，小車驅(qū)動電機的運行速度、方向，帶動云臺上下運動的電機的運行速度、方向和云臺的四個轉(zhuǎn)向一共10個輸出變量。所以該信息采集系統(tǒng)初步控制對象就有6個輸入變量和10個輸出變量，屬于多輸入一多輸出結(jié)構(gòu)的模糊控制器。

通過模糊解藕將此多輸入一多輸出模糊控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為單變量模糊控制器來進行設計。下面以控制小車驅(qū)動電機的速度為例來詳細說明模糊控制規(guī)則的建立。

小車驅(qū)動電機采用步進電機，其速度是通過改變驅(qū)動信號的脈沖頻率來控制的。因此，對小車驅(qū)動電機速度的控制采用單變量二維模糊控制器，輸入量為小車到目標距離的誤差e以及小車到目標距離誤差的變化率ec，輸出變量為控制脈沖的頻率f。在模糊控制的具體實現(xiàn)方法上，采用模糊查表法，其原理如圖2所示。

對每一次采樣得到的誤差e和誤差變化率ec進行量程轉(zhuǎn)換，即乘以比例因子k1和k2，然后進行量化，將輸入的物理信號值轉(zhuǎn)換為輸入論域上的點，就可以通過查詢控制作用表得到輸出控制量。它是輸出論域上的點，再乘以比例因子k3進行量程轉(zhuǎn)換，就得到所需要的控制脈沖頻率值f?？刂谱饔帽硎禽斎胝撚蛏系狞c到輸出論域上的對應關系。它已經(jīng)是經(jīng)過了模糊化、模糊推理和解模糊的過程，可以離線計算得到。查表法結(jié)構(gòu)簡單，實施方便，資源開銷少，在線運行速度快。

誤差e、誤差變化量ec和控制量f的基本模糊子集為{NB(負大偏差)，NS(負小偏差)，0(零)，PS(正小偏差)，PB(正大偏差)}。在系統(tǒng)中，小車到目標距離誤差e的論域為E，小車到目標距離誤差變化率ec的論域為EC，輸出控制量f的論域為F。根據(jù)系統(tǒng)的實際狀況，將其大小量化為5個等級，分別為{-3，-1，0，+1，+3)，選擇如圖3所示的隸屬函數(shù)曲線，控制器可完成對輸入變量的模糊化。

模糊輸入變量再由模糊控制規(guī)則進行推理決策，得到模糊輸出語言變量{NB(負大)，NS(負小)，0(零)，PS(正小)，PB(正大)}。同樣道理，經(jīng)過模糊控制器推理的輸出結(jié)果也必須變換成實際的校正量，調(diào)節(jié)控制小車驅(qū)動電機速度的脈沖頻率，完成對小車速度的控制。