基于模糊控制的远程康复信息采集系统设计

1、基于模糊控制的远程康复信息采集系统设计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错课题，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。国外在此方面的讨论动身点各有不同，归纳起来，主要是将远程康复系统当作一种通信手段，来消退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，促进康复医学的进展等方面，虽有所提及，但尚未作实质性讨论。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交流与沟通，使残疾人在网上可以向专家

2、举行康复询问，得到康复方面的建议。从目前国内外的进展状况来看，各方的讨论都有较大局限，均处在起步阶段。因此举行远程康复系统的讨论具有重要的意义。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举行有效控制，其实现效果的优劣，实现速度的快慢，对囫囵系统的性能起着关键性的作用。因为远程康复信息采集系统是多变量、非线性的时变系统，很难建立囫囵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办法含糊控制。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暗示图1所示。该系统就是一个辅助摄像用的，它可以接受命令以某条空间曲线为路径来观看患者。此控制系统主要由两个功

3、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指令，经过含糊控制算法处理之后，再通过rs 232串口传给处理系统，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按照要求举行处理，再通过internet以适当的方式展现给远方站点，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、实时地观看患者的身体情况，举行远程诊断和评估。单片机控制系统还可以对检测电机到位等的信号举行处理，并将控制含糊控制系统执行单元的状况反馈给远方站点

4、。容易来说，此含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，按照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含糊控制设计3.1 信息采集系统的含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含糊控制器。通过

5、含糊解藕将此多输入一多输出含糊控制结构转化为单变量含糊控制器来举行设计。下面以控制小车驱动电机的速度为例来具体解释含糊控制规章的建立。小车驱动电机采纳，其速度是通过转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纳单变量二维含糊控制器，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幻率ec，输出变量为控制脉冲的频率f。在含糊控制的详细实现办法上，采纳含糊查表法，其原理2所示。对每一次采样得到的误差e和误差变幻率ec举行量程转换，即乘以比例因子k1和k2，然后举行量化，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

6、乘以比例因子k3举行量程转换，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。它已经是经过了含糊化、含糊推理和解含糊的过程，可以离线计算得到。查表法结构容易，实施便利，资源开销少，在线运行速度快。误差e、误差变幻量ec和控制量f的基本含糊子集为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幻率ec的论域为ec，输出控制量f的论域为f。按照系统的实际情况，将其大小量化为5个等级，分离为-3，-1，0，+1，+3)，挑选3所示的隶属函数曲线，控制器可完成对输入变量的含

7、糊化。含糊输入变量再由含糊控制规章举行推理决策，得到含糊输出语言变量nb(负大)，ns(负小)，0(零)，ps(正小)，pb(正大)。同样道理，经过含糊控制器推理的输出结果也必需变换成实际的校正量，调整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。为了简化编程，便于实时控制，本系统将控制规章表格化。含糊控制器按表1所示的控制状态表举行控制。误差e，误差变幻率ec的量化因子k1和k2的选取对控制系统的动态性能的影响很大。k1打算了系统的响应速度，k1越大系统的响应越快，但超调也越大，过渡时光就越长。k2影响系统的超调，k2选取越大，系统的超调就会越小，但系统的响应时光就会越长。k3为含糊

8、控制器的总增益，选取过小会使系统的动态响应过程变长，而挑选过大会导致系统震荡。其他控制量的控制规章和上述小车驱动电机速度的控制类似。3.2 信息采集控制系统的软件设计目前，含糊控制器构造有三种技术：采纳传统的单片机或微型机作为物理基础，编制相应的软件实现含糊推理和控制；用单片机或芯片构造含糊控制器，利用配置数据来确定含糊控制器的结构形式；采纳可编程门阵列构造含糊控制器。因为远程康复系统现场站点需要一台微机作为接收远方的控制指令和处理来自摄像机的图像信息并通过internet来传送信息，所以为了充分利用和节约资源，我们采纳微机作为物理基础，编制相应的软件实现含糊推理和控制。含糊控制的上位机软件设

9、计主要就是含糊控制算法的设计和实现，同时也包括微机与单片机的串口通讯部分和与internet接口部分的设计实现。其程序流程4所示。该部分主要实现对信息采集系统的含糊控制功能。系统运行前，该上位机程序首先要举行初始化，设置串口，为系统正确运行做好预备。当远程控制指令通过internet传送到现场站点的pc机，经过含糊控制算法的处理，再经串口将指令下达给单片机控制系统来执行。此控制过程不需要现场站点的人员来操作，彻低实行远程控制，这样远程专家就能很便利地按照需要控制信息采集系统的运行，同时也便利了现地医师或病人家属，削减了因为远程专家和现地医师或家属的沟通障碍而引起的操作错误。4 结语本系统利用含糊控制技术解决了对远程康复信息采