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。

對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，將輸入的物理信號值轉(zhuǎn)換為輸入論域上的點，就可以通過查詢控制作用表得到輸出控制量。它是輸出論域上的點，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到輸出論域上的對應(yīng)關(guān)系。它已經(jīng)是經(jīng)過了模糊化、模糊推理和解模糊的過程，可以離線計算得到。查表法結(jié)構(gòu)簡單，實施方便，資源開銷少，在線運行速度快。

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的論域為E，小車到目標(biāo)距離誤差變化率ec的論域為EC，輸出控制量f的論域為F。根據(jù)系統(tǒng)的實際狀況，將其大小量化為5個等級，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，得到模糊輸出語言變量{NB（負(fù)大），NS（負(fù)?。?，0（零），PS（正?。琍B（正大）}。同樣道理，經(jīng)過模糊控制器推理的輸出結(jié)果也必須變換成實際的校正量，調(diào)節(jié)控制小車驅(qū)動電機速度的脈沖頻率，完成對小車速度的控制。

為了簡化編程，便于實時控制，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的選取對控制系統(tǒng)的動態(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，過渡時間就越長。k2影響系統(tǒng)的超調(diào)，k2選取越大，系統(tǒng)的超調(diào)就會越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)時間就會越長。k3為模糊控制器的總增益，選取過小會使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程變長，而選擇過大會導(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)動電機速度的控制類似。

3.2 信息采集控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

目前，模糊控制器構(gòu)造有三種技術(shù)：采用傳統(tǒng)的單片機或微型機作為物理基礎(chǔ)，編制相應(yīng)的軟件實現(xiàn)模糊推理和控制；用單片機或集成電路芯片構(gòu)造模糊控制器，利用配置數(shù)據(jù)來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)場站點需要一臺微機作為接收遠(yuǎn)方的控制命令和處理來自攝像機的圖像信息并通過Internet來傳送信息，所以為了充分利用和節(jié)省資源，我們采用微機作為物理基礎(chǔ)，編制相應(yīng)的軟件實現(xiàn)模糊推理和控制。

模糊控制的上位機軟件設(shè)計主要就是模糊控制算法的設(shè)計和實現(xiàn)，同時也包括微機與單片機的串口通訊部分和與Internet接口部分的設(shè)計實現(xiàn)。其程序流程如圖4所示。

該部分主要實現(xiàn)對信息采集系統(tǒng)的模糊控制功能。系統(tǒng)運行前，該上位機程序首先要進(jìn)行初始化，設(shè)置串口，為系統(tǒng)正確運行做好準(zhǔn)備。當(dāng)遠(yuǎn)程控制命令通過Internet傳送到現(xiàn)場站點的PC機，經(jīng)過模糊控制算法的處理，再經(jīng)串口將命令下達(dá)給單片機控制系統(tǒng)來執(zhí)行。此控制過程不需要現(xiàn)場站點的人員來操作，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)的運行，同時也方便了現(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誤。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)利用模糊控制技術(shù)解決了對遠(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)計師能夠通過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、實時地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，供診斷和輔助產(chǎn)品設(shè)計之用。試驗證明，該控制系統(tǒng)達(dá)到了我們的設(shè)計要求，能夠遠(yuǎn)程實時地進(jìn)行三維視覺信息的采集。