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

　　1 引言

　　遠(yuǎn)程康復(fù)是一項現(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：在綜合運用通信、遠(yuǎn)程感知、遠(yuǎn)程控制、計算機、信息處理等技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)的遠(yuǎn)方康復(fù)醫(yī)療服務(wù)。

　　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(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)當(dāng)作一種通信手段，來消除輔助器具評價專家與遠(yuǎn)方殘疾人士之間的空間障礙，對如何把遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)本身作為一種輔助器具評價診斷系統(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(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)的報導(dǎo)，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(jìn)行康復(fù)咨詢，得到康復(fù)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(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)距離對信息采集系統(tǒng)進(jìn)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(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、非線性的時變系統(tǒng)，很難建立整個同步控制系統(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(yuǎn)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(jìn)行處理，再通過Internet以適當(dāng)?shù)姆绞匠尸F(xiàn)給遠(yuǎn)方站點，供遠(yuǎn)方的康復(fù)專家和輔助設(shè)計廠商診斷、設(shè)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(dá)合適的方位，以便遠(yuǎn)方康復(fù)專家不受時空限制、實時地觀察患者的身體狀況，進(jìn)行遠(yuǎn)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(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。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(shè)計之用。

　　3 遠(yuǎn)程康復(fù)信息采集系統(tǒng)的模糊控制設(shè)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(biāo)的轉(zhuǎn)向角，小車到目標(biāo)的距離，云臺距離目標(biāo)的高度，攝像機與目標(biāo)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(jìn)行設(shè)計。下面以控制小車驅(qū)動電機的速度為例來詳細(xì)說明模糊控制規(guī)則的建立。

　　小車驅(qū)動電機采用步進(jìn)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(biāo)距離的誤差e以及小車到目標(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現(xiàn)方法上，采用模糊查表法，其原理如圖2所示。