摘 要：介紹了基于模糊控制的遠(yuǎn)程康復(fù)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。以信息采集系統(tǒng)速度控制為例，對(duì)模糊控制器的構(gòu)造以及控制規(guī)則的建立做了重點(diǎn)分析和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程康復(fù)信息采集系統(tǒng)的智能控制。解決或緩解康復(fù)資源分布的不平衡性所造成的康復(fù)服務(wù)成本上升，使康復(fù)專家能夠克服時(shí)間和空間的限制，更準(zhǔn)確、全面、及時(shí)地掌握殘疾人的康復(fù)數(shù)據(jù)和需求，從而提供更加優(yōu)良的康復(fù)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程康復(fù);信息采集;模糊控制;智能控制

中圖分類號(hào)：TP273.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1511103

Design of Telerehabilitation Information Collection System Based on Fuzzy Control

REN Yumiao1，ZHAO Chen1，LIAN Yi2

(1.School of Electronics and Information Engineering，Xi′an Technological University，Xi′an，710032，China;

2.Xi′an Allin Software Co.Ltd.，Xi′an，710075，China)

Abstract：The design of telerehabilitation information collection system based on fuzzy control is introduced.Taking the speed of information collection synstem for example，the structure and the rule of fuzzy control are analyzed.The remote auto control of the telerehabilitation information collection system is achieved.Alleviate the disparity between the demand for rehabilitation services and the available capacity to provide rehabilitation.The course of assessment become more efficient and convenient，the rehabilitation professionals can spend less time on an assessment，and the cost of assessment is reduced.

Keywords：telerehabilitation;information collection;fuzzy control;intelligence control

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)^［1］。

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^［2-4］。 國(guó)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(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(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、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、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、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^［5］。

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：小車到目標(biāo)的轉(zhuǎn)向角，小車到目標(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：小車舵電機(jī)的運(yùn)行速度、方向，小車驅(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-多輸出結(jié)構(gòu)的模糊控制器^［6-8］。

通過(guò)模糊解藕將此多輸入-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(shí)現(xiàn)方法上，采用模糊查表法，其原理如圖2所示^［9］。

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，資源開銷少，在線運(yùn)行速度快^［10］。

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，小車到目標(biāo)距離誤差e的論域?yàn)镋，小車到目標(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?。琍B（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)控制小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度的脈沖頻率，完成對(duì)小車速度的控制。

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)則和上述小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度的控制類似。

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^［2］。

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)行三維視覺信息的采集。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 任郁苗 女，1977年出生，碩士，助教。主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)。

趙 晨 女，1981年出生，碩士，助教。主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)。

廉 毅 男，1977年出生，學(xué)士，項(xiàng)目經(jīng)理。主要研究方向?yàn)閿?shù)字電視，IPTV。