基于模糊控制的遠(yuǎn)程康復(fù)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　遠(yuǎn)程康復(fù)是一項(xiàng)現(xiàn)代信息及通信技術(shù)與康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合的多學(xué)科交叉課題，它可以被定義為：在綜合運(yùn)用通信、遠(yuǎn)程感知、遠(yuǎn)程控制、計(jì)算機(jī)、信息處理等技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)方康復(fù)醫(yī)療服務(wù)。

　　國(guó)外在此方面的研究出發(fā)點(diǎn)各有不同，歸納起來(lái)，主要是將遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)當(dāng)作一種通信手段，來(lái)消除輔助器具評(píng)價(jià)專(zhuān)家與遠(yuǎn)方殘疾人士之間的空間障礙，對(duì)如何把遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)本身作為一種輔助器具評(píng)價(jià)診斷系統(tǒng)，促進(jìn)康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展等方面，雖有所提及，但尚未作實(shí)質(zhì)性研究。國(guó)內(nèi)在這方面的產(chǎn)品，僅見(jiàn)深圳殘聯(lián)自行研制開(kāi)發(fā)的全國(guó)第一個(gè)殘疾人遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)的報(bào)導(dǎo)，該系統(tǒng)著眼于專(zhuān)家和病人的溝通與交流，使殘疾人在網(wǎng)上可以向?qū)＜疫M(jìn)行康復(fù)咨詢(xún)，得到康復(fù)方面的建議。

　　從目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況來(lái)看，各方的研究都有較大局限，均處在起步階段。因此進(jìn)行遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)的研究具有重要的意義。

　　遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)中，信息采集系統(tǒng)是其主要的組成部分，如何遠(yuǎn)距離對(duì)信息采集系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，其實(shí)現(xiàn)效果的優(yōu)劣，實(shí)現(xiàn)速度的快慢，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵性的作用。由于遠(yuǎn)程康復(fù)信息采集系統(tǒng)是多變量、非線性的時(shí)變系統(tǒng)，很難建立整個(gè)同步控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。因此就需要利用一種有效的控制方法——模糊控制。

　　2 遠(yuǎn)程康復(fù)信息采集控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　遠(yuǎn)程康復(fù)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(gè)輔助攝像用的機(jī)器人，它可以接受指令以某條空間曲線為路徑來(lái)觀察患者。此控制系統(tǒng)主要由兩個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，一是現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的PC機(jī)，通過(guò)Internet來(lái)接收遠(yuǎn)方站點(diǎn)的控制命令，經(jīng)過(guò)模糊控制算法處理之后，再通過(guò)RS 232串口傳給單片機(jī)處理系統(tǒng)，來(lái)控制小車(chē)、云臺(tái)、攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)。另外現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的PC機(jī)還可以將從攝像機(jī)采集到的圖像信息根據(jù)要求進(jìn)行處理，再通過(guò)Internet以適當(dāng)?shù)姆绞匠尸F(xiàn)給遠(yuǎn)方站點(diǎn)，供遠(yuǎn)方的康復(fù)專(zhuān)家和輔助設(shè)計(jì)廠商診斷、設(shè)計(jì)之用。二是單片機(jī)控制系統(tǒng)，主要用來(lái)控制小車(chē)、云臺(tái)、攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使其能夠到達(dá)合適的方位，以便遠(yuǎn)方康復(fù)專(zhuān)家不受時(shí)空限制、實(shí)時(shí)地觀察患者的身體狀況，進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和評(píng)估。單片機(jī)控制系統(tǒng)還可以對(duì)檢測(cè)電機(jī)到位等傳感器的信號(hào)進(jìn)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(yuǎn)方站點(diǎn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，此模糊控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制裝載信息采集裝置的小車(chē)、帶動(dòng)攝像機(jī)的云臺(tái)和攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)要求采集實(shí)時(shí)視頻或圖像信息，供診斷和輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)之用。

　　3 遠(yuǎn)程康復(fù)信息采集系統(tǒng)的模糊控制設(shè)計(jì)

　　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(chē)到目標(biāo)的轉(zhuǎn)向角，小車(chē)到目標(biāo)的距離，云臺(tái)距離目標(biāo)的高度，攝像機(jī)與目標(biāo)的方向角和距離，一共6個(gè)輸入變量。輸出變量為：小車(chē)舵電機(jī)的運(yùn)行速度、方向，小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行速度、方向，帶動(dòng)云臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)的電機(jī)的運(yùn)行速度、方向和云臺(tái)的四個(gè)轉(zhuǎn)向一共10個(gè)輸出變量。所以該信息采集系統(tǒng)初步控制對(duì)象就有6個(gè)輸入變量和10個(gè)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(guò)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面以控制小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明模糊控制規(guī)則的建立。

　　小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，其速度是通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖頻率來(lái)控制的。因此，對(duì)小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度的控制采用單變量二維模糊控制器，輸入量為小車(chē)到目標(biāo)距離的誤差e以及小車(chē)到目標(biāo)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(shí)現(xiàn)方法上，采用模糊查表法，其原理如圖2所示。

　　對(duì)每一次采樣得到的誤差e和誤差變化率ec進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換，即乘以比例因子k1和k2，然后進(jìn)行量化，將輸入的物理信號(hào)值轉(zhuǎn)換為輸入論域上的點(diǎn)，就可以通過(guò)查詢(xún)控制作用表得到輸出控制量。它是輸出論域上的點(diǎn)，再乘以比例因子k3進(jìn)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(diǎn)到輸出論域上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。它已經(jīng)是經(jīng)過(guò)了模糊化、模糊推理和解模糊的過(guò)程，可以離線計(jì)算得到。查表法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便，資源開(kāi)銷(xiāo)少，在線運(yùn)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(fù)大偏差)，NS(負(fù)小偏差)，0(零)，PS(正小偏差)，PB(正大偏差)}。在系統(tǒng)中，小車(chē)到目標(biāo)距離誤差e的論域?yàn)镋，小車(chē)到目標(biāo)距離誤差變化率ec的論域?yàn)镋C，輸出控制量f的論域?yàn)镕。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際狀況，將其大小量化為5個(gè)等級(jí)，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(duì)輸入變量的模糊化。

　　模糊輸入變量再由模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理決策，得到模糊輸出語(yǔ)言變量{NB(負(fù)大)，NS(負(fù)小)，0(零)，PS(正小)，PB(正大)}。同樣道理，經(jīng)過(guò)模糊控制器推理的輸出結(jié)果也必須變換成實(shí)際的校正量，調(diào)節(jié)控制小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度的脈沖頻率，完成對(duì)小車(chē)速度的控制。

　　為了簡(jiǎn)化編程，便于實(shí)時(shí)控制，本系統(tǒng)將控制規(guī)則表格化。模糊控制器按表1所示的控制狀態(tài)表進(jìn)行控制。

　　誤差E，誤差變化率EC的量化因子k1和k2的選取對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的影響很大。k1決定了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，k1越大系統(tǒng)的響應(yīng)越快，但超調(diào)也越大，過(guò)渡時(shí)間就越長(zhǎng)。k2影響系統(tǒng)的超調(diào)，k2選取越大，系統(tǒng)的超調(diào)就會(huì)越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。k3為模糊控制器的總增益，選取過(guò)小會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變長(zhǎng)，而選擇過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩。

　　其他控制量的控制規(guī)則和上述小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度的控制類(lèi)似。

　　3.2 信息采集控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　目前，模糊控制器構(gòu)造有三種技術(shù)：采用傳統(tǒng)的單片機(jī)或微型機(jī)作為物理基礎(chǔ)，編制相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)模糊推理和控制；用單片機(jī)或集成電路芯片構(gòu)造模糊控制器，利用配置數(shù)據(jù)來(lái)確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)形式；采用可編程門(mén)陣列構(gòu)造模糊控制器。由于遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)需要一臺(tái)微機(jī)作為接收遠(yuǎn)方的控制命令和處理來(lái)自攝像機(jī)的圖像信息并通過(guò)Internet來(lái)傳送信息，所以為了充分利用和節(jié)省資源，我們采用微機(jī)作為物理基礎(chǔ)，編制相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)模糊推理和控制。

　　模糊控制的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要就是模糊控制算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也包括微機(jī)與單片機(jī)的串口通訊部分和與Internet接口部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。其程序流程如圖4所示。

　　該部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信息采集系統(tǒng)的模糊控制功能。系統(tǒng)運(yùn)行前，該上位機(jī)程序首先要進(jìn)行初始化，設(shè)置串口，為系統(tǒng)正確運(yùn)行做好準(zhǔn)備。當(dāng)遠(yuǎn)程控制命令通過(guò)Internet傳送到現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的PC機(jī)，經(jīng)過(guò)模糊控制算法的處理，再經(jīng)串口將命令下達(dá)給單片機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行。此控制過(guò)程不需要現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的人員來(lái)操作，完全采取遠(yuǎn)程控制，這樣遠(yuǎn)程專(zhuān)家就能很方便地根據(jù)需要控制信息采集系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)也方便了現(xiàn)地醫(yī)師或病人家屬，減少了由于遠(yuǎn)程專(zhuān)家和現(xiàn)地醫(yī)師或家屬的交流障礙而引起的操作錯(cuò)誤。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)利用模糊控制技術(shù)解決了對(duì)遠(yuǎn)程康復(fù)信息采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能控制，使位于遠(yuǎn)方的康復(fù)專(zhuān)家和輔助設(shè)計(jì)師能夠通過(guò)Internet方便地遙控現(xiàn)地的信息采集系統(tǒng)以合適的方式和角度準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，供診斷和輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)之用。試驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)達(dá)到了我們的設(shè)計(jì)要求，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地進(jìn)行三維視覺(jué)信息的采集。