基于模糊控制的遠程康復信息采集系統設計

　　1 引言

　　遠程康復是一項現代信息及通信技術(shù)與康復醫學(xué)相結合的多學(xué)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(shù)的基礎上，實(shí)現的遠方康復醫療服務(wù)。

　　國外在此方面的研究出發(fā)點(diǎn)各有不同，歸納起來(lái)，主要是將遠程康復系統當作一種通信手段，來(lái)消除輔助器具評價(jià)專(zhuān)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本身作為一種輔助器具評價(jià)診斷系統，促進(jìn)康復醫學(xué)的發(fā)展等方面，雖有所提及，但尚未作實(shí)質(zhì)性研究。國內在這方面的產(chǎn)品，僅見(jiàn)深圳殘聯(lián)自行研制開(kāi)發(fā)的全國第一個(gè)殘疾人遠程康復系統的報導，該系統著(zhù)眼于專(zhuān)家和病人的溝通與交流，使殘疾人在網(wǎng)上可以向專(zhuān)家進(jìn)行康復咨詢(xún)，得到康復方面的建議。

　　從目前國內外的發(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)行遠程康復系統的研究具有重要的意義。

　　遠程康復系統中，信息采集系統是其主要的組成部分，如何遠距離對信息采集系統進(jìn)行有效控制，其實(shí)現效果的優(yōu)劣，實(shí)現速度的快慢，對整個(gè)系統的性能起著(zhù)關(guān)鍵性的作用。由于遠程康復信息采集系統是多變量、非線(xiàn)性的時(shí)變系統，很難建立整個(gè)同步控制系統的精確數學(xué)模型。因此就需要利用一種有效的控制方法――模糊控制。

　　2 遠程康復信息采集控制系統的構成

　　遠程康復信息采集控制系統示意圖如圖1所示。該系統就是一個(gè)輔助攝像用的機器人，它可以接受指令以某條空間曲線(xiàn)為路徑來(lái)觀(guān)察患者。此控制系統主要由兩個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)現，一是現場(chǎng)站點(diǎn)的PC機，通過(guò)Internet來(lái)接收遠方站點(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串口傳給單片機處理系統，來(lái)控制小車(chē)、云臺、攝像機的運動(dòng)。另外現場(chǎng)站點(diǎn)的PC機還可以將從攝像機采集到的圖像信息根據要求進(jìn)行處理，再通過(guò)Internet以適當的方式呈現給遠方站點(diǎn)，供遠方的康復專(zhuān)家和輔助設計廠(chǎng)商診斷、設計之用。二是單片機控制系統，主要用來(lái)控制小車(chē)、云臺、攝像機的運動(dòng)，使其能夠到達合適的方位，以便遠方康復專(zhuān)家不受時(shí)空限制、實(shí)時(shí)地觀(guān)察患者的身體狀況，進(jìn)行遠程診斷和評估。單片機控制系統還可以對檢測電機到位等傳感器的信號進(jìn)行處理，并將控制模糊控制系統執行單元的情況反饋給遠方站點(diǎn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，此模糊控制系統主要實(shí)現自動(dòng)控制裝載信息采集裝置的小車(chē)、帶動(dòng)攝像機的云臺和攝像機的運動(dòng)，根據要求采集實(shí)時(shí)視頻或圖像信息，供診斷和輔助產(chǎn)品設計之用。

　　3 遠程康復信息采集系統的模糊控制設計

　　3.1 信息采集系統的模糊控制策略

　　本系統的輸入變量為：小車(chē)到目標的轉向角，小車(chē)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(gè)輸入變量。輸出變量為：小車(chē)舵電機的運行速度、方向，小車(chē)驅動(dòng)電機的運行速度、方向，帶動(dòng)云臺上下運動(dòng)的電機的運行速度、方向和云臺的四個(gè)轉向一共10個(gè)輸出變量。所以該信息采集系統初步控制對象就有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構的模糊控制器。

　　通過(guò)模糊解藕將此多輸入一多輸出模糊控制結構轉化為單變量模糊控制器來(lái)進(jìn)行設計。下面以控制小車(chē)驅動(dòng)電機的速度為例來(lái)詳細說(shuō)明模糊控制規則的建立。

　　小車(chē)驅動(dòng)電機采用步進(jìn)電機，其速度是通過(guò)改變驅動(dòng)信號的脈沖頻率來(lái)控制的。因此，對小車(chē)驅動(dòng)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(chē)到目標距離的誤差e以及小車(chē)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(shí)現方法上，采用模糊查表法，其原理如圖2所示。