CN111061279B - 一种电动病床的室内自适应巡航控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动病床的室内自适应巡航控制系统及方法，包括：存储模块，所述存储模块预置有设定场所内的电子导航地图；信息感知模块，用于获取电动病床周边物体的形态以及相对运动信息；控制决策模块，用于根据获取的电动病床周边物体信息，得到电动病床与障碍物之间的实际间距、期望间距、相对速度与角度，进而得到电动病床的运动模式切换策略指令；控制执行模块，用于根据接收到的运动模式切换策略指令，控制电动病床执行相应的动作。本发明能够将电动病床和自适应巡航系统结合，实现电动病床在室内的有效而又安全的慢速移动，提高移动过程中的安全性与舒适性，同时减轻医护人员的护理压力、体力消耗，实现病房内的自动高效管理。

Description

一种电动病床的室内自适应巡航控制系统及方法
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，尤其涉及一种电动病床的室内自适应巡航控制系统及方法。
背景技术
随着医院需求和患者需要的增加以及控制技术的进步，病床不管是医用还是家用，都逐渐由手动转向电动控制。目前电动病床主要是控制床位状态的改变即病人体位的改变，而对于病床的移动控制相对较少，病床的移动主要靠人力推停、移动。患者人数的增加，病房医护人员精力有限，使电动病床的移动控制显得尤为重要。
随着控制技术的发展，自适应巡航控制系统(ACC)主要应用在汽车方面，辅助驾驶员完成车辆的驾驶工作，实现车辆纵向驱动与制动工作。且集成了车辆的碰撞警告、碰撞预防功能，保证车辆行驶过程中的安全性和舒适性。电动病床的移动控制同样需要识别前进路线中出现的障碍物，控制与障碍物的间距及防碰撞，并进行转动等操作避开障碍物等，但病床是在室内进行的，不同于汽车行驶的慢速移动，病床的室内自适应巡航需要更精准的移动控制。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种电动病床的室内自适应巡航控制系统及方法，可以实现电动病床在室内的有效而又安全的慢速移动，提高移动过程中的安全性。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种电动病床的室内自适应巡航控制系统，包括：
存储模块，所述存储模块预置有设定场所内的电子导航地图，所述电子导航地图配置有所有房间的位置信息以及固有物体的名称及形态类目；
信息感知模块，用于获取电动病床周边物体的形态以及相对运动信息；
控制决策模块，用于根据获取的电动病床周边物体的形态以及相对运动信息，得到电动病床与障碍物之间的实际间距、期望间距、相对速度与角度，进而得到电动病床的运动模式切换策略指令；
控制执行模块，用于根据接收到的运动模式切换策略指令，控制电动病床执行相应的动作。
控制决策模块根据获取的电动病床周边物体的形态以及相对运动信息，确定电动病床的运动模式切换策略，具体为：
驱动匀速模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距小于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之和，且相对速度小于速度切换阈值与根据速度设置的回滞之和，则切换到制动减速模式；如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距小于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之和，且障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式；
制动减速模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距大于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之差，且相对速度大于速度切换阈值与根据速度设置的回滞之差，则切换到驱动匀速模式；如果满足障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式；如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距趋近于零，则切换到紧急制动模式；
横向转动模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距大于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之差，且障碍物与病床前端夹角大于设定角度值，则切换到驱动匀速模式；如果满足障碍物与病床前端夹角大于设定角度值，则切换到制动减速模式；
紧急制动模式下，如果满足障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种电动病床的室内自适应巡航控制方法，包括：
获取电动病床周边物体的形态以及相对运动信息；
根据获取的电动病床周边物体的形态以及相对运动信息，基于预先存储的病房内的电子导航地图，得到电动病床与障碍物之间的实际间距、期望间距、相对速度与角度，进而得到电动病床的运动模式切换策略指令；
根据接收到的运动模式切换策略指令，控制电动病床执行相应的动作。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种电动病床，包括：上述的电动病床的室内自适应巡航控制系统。
本发明的有益效果：
1.本发明的电动病床的室内自适应巡航控制系统，能够将电动病床和自适应巡航系统结合，实现电动病床在室内的有效而又安全的慢速移动，提高移动过程中的安全性与舒适性，同时减轻医护人员的护理压力、体力消耗，实现病房内的自动高效管理。
2.本发明的电动病床的室内自适应巡航控制系统，通过信息感知层获得的与周边物体的相对位置运动信息，能够自动调整移动速度、移动角度，从而提高了提高移动过程中的安全性。
3.本发明的电动病床的室内自适应巡航控制系统，优化了驱动制动切换算法，有效地减少了驱动制动执行器之间的切换次数，减少病床的机械损耗。
附图说明
图1为本发明实施例一中电动病床的室内自适应巡航控制系统结构示意图；
图2为本发明实施例一中混合型模糊PID控制器结构示意图；
图3为本发明实施例一中电动病床运动模式切换示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
实施例一
本发明实施例公开了一种电动病床的室内自适应巡航控制系统，配以所在医院等场所的房间名称及位置的电子导航图，常用的固有的仪器等物体名称及形态类目。
电动病床的室内自适应巡航控制系统结构如图1所示，采用分层式控制形式，包括：信息感知层、控制决策层、控制执行层三部分。
其中，信息感知层获得周边物体形态如长宽高等，材质如金属、塑料等，运动状态如静止、速度、方向等，与周边物体的相对运动信息，如距离、相对速度、方向夹角等。信息感知层包括三维扫描仪、毫米波雷达、超声波测距仪、红外摄像头及角速度传感器。
设置在病床前端的毫米波雷达发现前进路径中的障碍物后，超声波测距仪测出目标病床与障碍物的相对距离，三维扫描仪扫描判断物体形态、种类，速度传感器测出速度，角速度传感器测出角度差；红外摄像头用于采集红外信息，判定障碍物是否为人和动物。
控制决策层对信息感知层提供的信息进行分析，并与系统内已有的常规物体类目匹配判断是什么物体，进而通过控制算法得到相应的模式。
控制决策层包括：控制器单元与模式切换单元，控制器单元实现驱动匀速、制动减速，紧急制动和横向转动各个运动模式的控制；模式切换单元实现各个模式控制之间的平滑切换。
控制决策层的算法为混合型模糊PID控制算法，通过混合型模糊PID控制器实现；
电动病床的驱动匀速模式，采用增量式PID就能够有很好的控制效果。对于制动减速等模式，采用混合型模糊PID控制器，是由一个比例积分控制器和一个二维模糊控制器并联而成。该控制器可以消除系统余差和极限环振荡，使系统成为无差模糊控制系统。
混合型模糊PID控制器结构如图2所示，Sd为期望距离，d为期望距离与实际距离之差，v为相对速度；在图2中，模糊控制器的2个输入分别为d和v，输出为驱动力与制动力的平衡差。模糊控制器其实就相当于一个PD控制器，但性能要优于PD控制器。增量式PID控制器的输入为电动病床与障碍物之间的期望距离与实际距离之差，输出为驱动力与制动力的平衡差，用于模式切换的驱动电信号。
本实施方式的混合型模糊PID控制器，弥补了模糊控制器存在着较大静差和在设定点附近形成极限环振荡的不足。
假设模糊控制器的输出为uo(kT),基于驱动匀速模式和制动减速模式平稳切换的考虑,采用增量式模糊控制器结构。
Δuo(kT)＝uo(kT)-uo[(k-1)T]
增量式PID控制器的输出为
Δut(kT)＝KP{E(kT)-E[(k-1)T]}+KI{E(kT)}
整个控制器的输出Δu(kT)为
Δu(kT)＝Δut(kT)+KDΔuo(kT)
＝KP{E(kT)-E[(k-1)T]}+KI{E(kT)}+KD{uo(kT)-uo[(k-1)T]}
其中，KP、KI、KD分别为PID控制器的比例、积分、微分系数矩阵；E(kT)、E(kT)-E[(k-1)T]分别为输入变量偏差、输入变量偏差变化。
参量作为控制器模块的输出，及模式切换模块的输入，通过模式切换模块预设信息结合完成电动病床控制。
增量式PID控制器的输出与模糊控制器的输出之和得到运动模式切换控制指令，用于模式切换的驱动电信号。
控制决策层的模式切换模块，基于获得的实际间距、期望间距、相对速度与角度，设置相应的切换条件，实现各个控制器的平滑切换，为防止控制器间的频繁切换，在切换条件中加入回滞策略。
图3中，1表示：d＜dth+dh，2表示：d＞dth－dh，3表示：Δv＜vth+vh，4表示：Δv＞vth－vh，5表示：
Figure GDA0002718986350000061
6表示：
Figure GDA0002718986350000062
7表示：d→0+；
其中，d为与障碍物实际间距，dth为间距切换阈值，dh为根据间距设置的回滞，Δv为相对速度，vth为速度切换阈值，vh为根据速度设置的回滞，θ为障碍物与病床前端夹角。
参照图3，驱动匀速模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距小于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之和，且相对速度小于速度切换阈值与根据速度设置的回滞之和，则切换到制动减速模式；如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距小于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之和，且障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式；
制动减速模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距大于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之差，且相对速度大于速度切换阈值与根据速度设置的回滞之差，则切换到驱动匀速模式；如果满足障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式；如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距趋近于零，则切换到紧急制动模式；
横向转动模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距大于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之差，且障碍物与病床前端夹角大于设定角度值，则切换到驱动匀速模式；如果满足障碍物与病床前端夹角大于设定角度值，则切换到制动减速模式；
紧急制动模式下，如果满足障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式。
下面以病人在最外侧病房，需要到护士站对面的检查室做术前检查为例对本实施例电动病床的室内自适应巡航控制系统的工作过程说明如下：
1、医护人员在远程操作平板上选择目标病床，选择目的地，系统自动选择最优线路，启动；
2、电动病床启动后，在移动过程中，病床前端的毫米波雷达发现前进路径中的障碍物后，超声波测距仪测出目标病床与障碍物的相对距离，三维扫描仪扫描判断物体形态、种类，速度传感器测出速度，角速度传感器测出角度差；
3、上述信息上传到决策层，算法得出相应应执行的模式，模式切换控制器选择相应的模式控制器启动；
4、执行层得到指令后，进行相应控制。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种电动病床的室内自适应巡航控制系统，其特征在于，包括：
存储模块，所述存储模块预置有设定场所内的电子导航地图，所述电子导航地图配置有所有房间的位置信息以及固有物体的名称及形态类目；
信息感知模块，用于获取电动病床周边物体的形态以及相对运动信息；
控制决策模块，用于根据获取的电动病床周边物体的形态以及相对运动信息，得到电动病床与障碍物之间的实际间距、期望间距、相对速度与角度，进而得到电动病床的运动模式切换策略指令；
控制执行模块，用于根据接收到的运动模式切换策略指令，控制电动病床执行相应的动作；
所述控制决策模块根据获取的电动病床周边物体的形态以及相对运动信息，确定电动病床的运动模式切换策略，具体为：
驱动匀速模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距小于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之和，且相对速度小于速度切换阈值与根据速度设置的回滞之和，则切换到制动减速模式；如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距小于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之和，且障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式；
制动减速模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距大于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之差，且相对速度大于速度切换阈值与根据速度设置的回滞之差，则切换到驱动匀速模式；如果满足障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式；如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距趋近于零，则切换到紧急制动模式；
横向转动模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距大于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之差，且障碍物与病床前端夹角大于设定角度值，则切换到驱动匀速模式；如果满足障碍物与病床前端夹角大于设定角度值，则切换到制动减速模式；
紧急制动模式下，如果满足障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式。
2.如权利要求1所述的一种电动病床的室内自适应巡航控制系统，其特征在于，所述信息感知模块包括三维扫描仪、毫米波雷达、超声波测距仪、红外摄像头及角速度传感器。
3.如权利要求1所述的一种电动病床的室内自适应巡航控制系统，其特征在于，所述电动病床的运动模式包括：驱动匀速模式、制动减速模式，紧急制动模式和横向转动模式。
4.如权利要求1所述的一种电动病床的室内自适应巡航控制系统，其特征在于，采用混合型模糊PID控制算法实现电动病床的运动模式切换，所述混合型模糊PID控制算法通过混合型模糊PID器实现，所述混合型模糊PID器包括：模糊控制器和增量式PID控制器；
模糊控制器的输入分别为电动病床与障碍物之间的期望距离与实际距离之差和电动病床的相对速度，输出为驱动力与制动力的平衡差；
增量式PID控制器的输入为电动病床与障碍物之间的期望距离与实际距离之差，输出为驱动力与制动力的平衡差；
增量式PID控制器的输出与模糊控制器的输出之和得到运动模式切换控制指令。
5.一种电动病床的室内自适应巡航控制方法，其特征在于，包括：
获取电动病床周边物体的形态以及相对运动信息；
根据获取的电动病床周边物体的形态以及相对运动信息，基于预先存储的病房内的电子导航地图，得到电动病床与障碍物之间的实际间距、期望间距、相对速度与角度，进而得到电动病床的运动模式切换策略指令；
根据接收到的运动模式切换策略指令，控制电动病床执行相应的动作；
根据获取的电动病床周边物体的形态以及相对运动信息，确定电动病床的运动模式切换策略，具体为：
驱动匀速模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距小于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之和，且相对速度小于速度切换阈值与根据速度设置的回滞之和，则切换到制动减速模式；如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距小于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之和，且障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式；
制动减速模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距大于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之差，且相对速度大于速度切换阈值与根据速度设置的回滞之差，则切换到驱动匀速模式；如果满足障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式；如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距趋近于零，则切换到紧急制动模式；
横向转动模式下，如果满足电动病床与障碍物之间的实际间距大于间距切换阈值与根据间距设置的回滞之差，且障碍物与病床前端夹角大于设定角度值，则切换到驱动匀速模式；如果满足障碍物与病床前端夹角大于设定角度值，则切换到制动减速模式；
紧急制动模式下，如果满足障碍物与病床前端夹角小于设定角度值，则切换到横向转动模式。
6.一种电动病床，其特征在于，包括：权利要求1-4任一项所述的电动病床的室内自适应巡航控制系统。
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