基于模糊控制的远程康复信息采集系统设计

1 引言

远程康复是一项现代信息及通信技术与康复医学相结合的多学科交叉课题，它可以被定义为：在综合运用通信、远程感知、远程控制、计算机、信息处理等技术的基础上，实现的远方康复医疗服务。

国外在此方面的研究出发点各有不同，归纳起来，主要是将远程康复系统当作一种通信手段，来消除辅助器具评价专家与远方残疾人士之间的空间障碍，对如何把远程康复系统本身作为一种辅助器具评价诊断系统，促进康复医学的发展等方面，虽有所提及，但尚未作实质性研究。国内在这方面的产品，仅见深圳残联自行研制开发的全国第一个残疾人远程康复系统的报导，该系统着眼于专家和病人的沟通与交流，使残疾人在网上可以向专家进行康复咨询，得到康复方面的建议。

从目前国内外的发展情况来看，各方的研究都有较大局限，均处在起步阶段。因此进行远程康复系统的研究具有重要的意义。

远程康复系统中，信息采集系统是其主要的组成部分，如何远距离对信息采集系统进行有效控制，其实现效果的优劣，实现速度的快慢，对整个系统的性能起着关键性的作用。由于远程康复信息采集系统是多变量、非线性的时变系统，很难建立整个同步控制系统的精确数学模型。因此就需要利用一种有效的控制方法——模糊控制。

2 远程康复信息采集控制系统的构成

远程康复信息采集控制系统示意图如图1所示。该系统就是一个辅助摄像用的机器人，它可以接受指令以某条空间曲线为路径来观察患者。此控制系统主要由两个功能模块来实现，一是现场站点的PC机，通过Internet来接收远方站点的控制命令，经过模糊控制算法处理之后，再通过RS 232串口传给单片机处理系统，来控制小车、云台、摄像机的运动。另外现场站点的PC机还可以将从摄像机采集到的图像信息根据要求进行处理，再通过Internet以适当的方式呈现给远方站点，供远方的康复专家和辅助设计厂商诊断、设计之用。二是单片机控制系统，主要用来控制小车、云台、摄像机的运动，使其能够到达合适的方位，以便远方康复专家不受时空限制、实时地观察患者的身体状况，进行远程诊断和评估。单片机控制系统还可以对检测电机到位等传感器的信号进行处理，并将控制模糊控制系统执行单元的情况反馈给远方站点。简单来说，此模糊控制系统主要实现自动控制装载信息采集装置的小车、带动摄像机的云台和摄像机的运动，根据要求采集实时视频或图像信息，供诊断和辅助产品设计之用。

3 远程康复信息采集系统的模糊控制设计

3.1 信息采集系统的模糊控制策略

本系统的输入变量为：小车到目标的转向角，小车到目标的距离，云台距离目标的高度，摄像机与目标的方向角和距离，一共6个输入变量。输出变量为：小车舵电机的运行速度、方向，小车驱动电机的运行速度、方向，带动云台上下运动的电机的运行速度、方向和云台的四个转向一共10个输出变量。所以该信息采集系统初步控制对象就有6个输入变量和10个输出变量，属于多输入一多输出结构的模糊控制器。

通过模糊解藕将此多输入一多输出模糊控制结构转化为单变量模糊控制器来进行设计。下面以控制小车驱动电机的速度为例来详细说明模糊控制规则的建立。

小车驱动电机采用步进电机，其速度是通过改变驱动信号的脉冲频率来控制的。因此，对小车驱动电机速度的控制采用单变量二维模糊控制器，输入量为小车到目标距离的误差e以及小车到目标距离误差的变化率ec，输出变量为控制脉冲的频率f。在模糊控制的具体实现方法上，采用模糊查表法，其原理如图2所示。

对每一次采样得到的误差e和误差变化率ec进行量程转换，即乘以比例因子k1和k2，然后进行量化，将输入的物理信号值转换为输入论域上的点，就可以通过查询控制作用表得到输出控制量。它是输出论域上的点，再乘以比例因子k3进行量程转换，就得到所需要的控制脉冲频率值f。控制作用表是输入论域上的点到输出论域上的对应关系。它已经是经过了模糊化、模糊推理和解模糊的过程，可以离线计算得到。查表法结构简单，实施方便，资源开销少，在线运行速度快。

误差e、误差变化量ec和控制量f的基本模糊子集为{NB(负大偏差)，NS(负小偏差)，0(零)，PS(正小偏差)，PB(正大偏差)}。在系统中，小车到目标距离误差e的论域为E，小车到目标距离误差变化率ec的论域为EC，输出控制量f的论域为F。根据系统的实际状况，将其大小量化为5个等级，分别为{-3，-1，0，+1，+3)，选择如图3所示的隶属函数曲线，控制器可完成对输入变量的模糊化。

模糊输入变量再由模糊控制规则进行推理决策，得到模糊输出语言变量{NB(负大)，NS(负小)，0(零)，PS(正小)，PB(正大)}。同样道理，经过模糊控制器推理的输出结果也必须变换成实际的校正量，调节控制小车驱动电机速度的脉冲频率，完成对小车速度的控制。