CN113952123B - 一种基于磁悬浮的救护车移动舱及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁悬浮的救护车移动舱及其控制方法，包括移动小车、舱体，所述舱体位于移动小车内；所述移动小车与舱体之间设有磁悬浮模块，所述磁悬浮模块包括安装在舱体底部的永磁体和安装在移动小车上的电磁铁组件，所述永磁体与电磁铁组件的磁极同极相对；控制方法为控制舱体根据振动自适应无加速度的悬浮的控制方法。本发明能够根据地形的变化自适应的减震实现患者时刻悬空的平衡状态，有效降低患者在移动过程中受到的二次伤害。
Description
技术领域
本发明涉及一种救护车配套设备，特别涉及一种基于磁悬浮的救护车移动舱及其控制方法，属于医疗设备技术领域。
背景技术
救护车在医疗救护的时候起着关键的作用，救护车司机在将患者运送到医院的过程中都会尽量节省时间从而导致忽略驾乘的舒适性，经常出现急加速和急减速的情况，这就会导致患者由于路途颠簸造成二次伤害，并且患者的基本生理指标不能实时查看，医护人员稍有疏忽可能就会导致病人失去最佳的抢救机会。
目前的传统担架虽然结构简单便于折叠，但是功能单一且移动过程中会让患者产生不适；医疗设备的最终目的都是服务患者，患者的诉求就是能够得到快速、有效的救治，医疗设备的集成化一直是先进医疗设备的研究方向。
发明内容
发明目的：本发明为解决现有技术存在的问题，提出了一种基于磁悬浮的救护车移动舱及其控制方法，能够根据地形的变化自适应的减震实现患者时刻悬空的平衡状态，有效降低患者在移动过程中受到的二次伤害。
技术方案：一种基于磁悬浮的救护车移动舱，包括移动小车、舱体，所述舱体位于移动小车内；所述移动小车与舱体之间设有磁悬浮模块，所述磁悬浮模块包括安装在舱体底部的永磁体和安装在移动小车上的电磁铁组件，所述永磁体与电磁铁组件的磁极同极相对。
本发明能够根据地形的变化自适应的减震实现患者时刻悬空的平衡状态，有效降低患者在移动过程中受到的二次伤害。
优选项，为了实现水平方向的定位，所述移动小车四周设有护板，所述护板与舱体之间设有水平定位弹簧组件；所述水平定位弹簧组件随舱体沿竖直方向上下浮动。通过水平定位弹簧组件能够保持舱体在水平方向处于缓冲定位状态。
优选项，为了进一步实现水平方向的定位，所述水平定位弹簧组件包括导向柱和定位弹簧，所述导向柱一端与舱体固定连接，所述导向柱的另一端穿过定位弹簧与护板活动连接。
优选项，为了避免电磁力对传感器的干扰，所述舱体底部设有铅板，所述铅板位于磁悬浮模块与舱体内部型腔之间。
一种基于磁悬浮的救护车移动舱的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、计算不平整路面的路面功率谱密度；
步骤二、对路面不平度数据集进行标定；
步骤三、根据标定的数据集进行电磁力的自适应调节。
优选项，所述步骤一中路面功率谱密度Gn(n)的拟合表达式为：
式中，n为空间频率(m-1)是波长λ的倒数，表示每米长度中包括几个波长；n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1；Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为m2/m-1＝m3；W为频率指数，是双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面功率谱密度的频率结构。
优选项，所述电磁铁组件包括磁悬浮线圈和控制器，所述控制器通过控制通过磁悬浮线圈的电流的大小控制电磁力的大小；
步骤三中电磁力的自适应调节方法：
首先根据移动舱设定载荷确定磁悬浮线圈参数；
其次根据标定的数据集基于加速度反馈的悬浮控制算法控制磁悬浮线圈产生的电磁力的大小。
优选项，所述磁悬浮线圈参数的确定方法为：
电磁力的计算主要考虑表面力，计算公式为：
式中：F为最大斥力、Bp为磁感应强度、dc为铁芯直径；
线圈厚度为：
式中：bk为线圈厚度、D2为线圈外径、Δ为线圈骨架及绝缘厚度；
线圈长度为：
Ik＝β×bk
式中：Ik为线圈长度、β为线圈长度Ik与厚度bk的比值；
导线直径为：
式中：Dcp为平均直径、ρ为铜的电阻率、IW为线圈磁势、U为工作电压；
线圈匝数设计为：
式中：j为容许电流密度。
优选项，所述加速度反馈的悬浮控制算法采用使用模糊PID控制，基于磁悬浮的基本作用模型根据系统输出的加速度偏差，采取模糊推理作为相应对策，在线自调整PID的参数Kp、Ki和Kd，实现舱体的无加速度的悬浮；
所述控制器包括模糊PI电磁力控制器和电流PI控制器，所述模糊PI电磁力控制器和电流PI控制器采用双闭环控制，外环采用模糊PI电磁力控制器，5ms执行一次；内环采用电流PI控制器，1ms执行一次；
模糊PI电磁力控制器以减速度偏差和偏差的变化率为输入值，经过模糊控制以及PID控制，控制垂直方向上的加速度大小；
模糊PID中输入的偏差e和偏差的变化率ec为[-50,50]，输入和输出的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，元素含义为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，模糊控制器的模糊论域为{-6,6}，采用三角函数作为隶属函数；
根据输入-输出隶属函数图分析，建立模糊推理规则，以偏差e和偏差的变化率ec对ΔKP、ΔKi的输出进行控制；根据模糊控制规则得到ΔKP、ΔKi、ΔKd这3个模糊值，在实际应用中需要对其模糊值进行去模糊化，得到一个实际值。
优选项，所述磁悬浮的基本作用模型，忽略外界干扰，磁路饱和以及电磁铁间的磁阻，并假设电磁铁仅有垂直方向的位移，则运动方程被表述为
根据能量守恒定律、基尔霍夫定理、毕奥-萨伐尔定律
式中：m为悬浮模块的质量；M为病人的质量；g为重力加速度；Fu为电磁力；Fd为外部扰动；Fu(i,x)为电磁力随输入电流和两电磁铁的垂向距离的函数；Fd(i,x)为外部扰动随输入电流和两电磁铁的垂向距离的函数μ0为真空磁导率；N为电磁铁线圈匝数；A为铁心的有效截面积；R为线圈电阻；k为电磁力系数；F为电磁力；i为输入电流的大小；x为两电磁铁的垂向距离，方向向下为正。
有益效果：本发明能够根据地形的变化自适应的减震实现患者时刻悬空的平衡状态，有效降低患者在移动过程中受到的二次伤害。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明三维结构示意图；
图2为本发明的剖视图；
图3为本发明技术路线图；
图4为本发明智能系统与环境的互动图；
图5为本发明磁悬浮模块的模型图；
图6为本发明电磁力基本控制框图；
图7为本发明模糊PID输入-输出隶属函数图；
图8为本发明主控制流程图；
图9为本发明定时器1和2中断流程图；
表1为本发明磁悬浮线圈的设计参数；
表2为本发明ΔKP的控制规则；
表3为本发明ΔKi的控制规则。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1和2所示，一种基于磁悬浮的救护车移动舱，包括移动小车1、舱体2，所述舱体2位于移动小车1内；所述移动小车1与舱体2之间设有磁悬浮模块3，所述磁悬浮模块3包括安装在舱体2底部的永磁体31和安装在移动小车1上的电磁铁组件32，所述永磁体31与电磁铁组件32的磁极同极相对。
所述移动小车1四周设有护板11，所述护板11与舱体2之间设有水平定位弹簧组件4；所述水平定位弹簧组件4随舱体2沿竖直方向上下浮动。
所述水平定位弹簧组件4包括导向柱41和定位弹簧42，所述导向柱41一端与舱体2固定连接，所述导向柱41的另一端穿过定位弹簧42与护板11活动连接。
所述舱体2底部设有铅板5，所述铅板5位于磁悬浮模块3与舱体2内部型腔之间。
本发明能够根据地形的变化自适应的减震实现患者时刻悬空的平衡状态，有效降低患者在移动过程中受到的二次伤害。
如图3所示，一种基于磁悬浮的救护车移动舱的控制方法，控制舱体根据振动自适应无加速度的悬浮的控制方法
首先对基于路面不平度的强化学习方法进行说明，学习的目标函数为极限工况下患者保持悬浮具有的最大的电磁力。电磁铁的目标为最大引力、斥力为1500N，工作电压为24V，工作电流为30A。根据患者在极限振动工况下确定线圈直径，大多数人的体重在45-100KG之间，考虑到安全性与成本，最大阈值选择需要根据患者在极限振动工况下保持悬浮平衡的电磁力，这里通过强化学习选择根据患者重量的电磁力的最大阈值。强化学习是指智能系统在与环境的连续互动中学习最优行为策略的机器学习问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
智能系统与环境的互动如图4所示，在每一步t，智能系统从环境中观测到一个状态(state)st与一个奖励(reward)rt，采取一个动作(action)at。环境根据智能系统选择的动作，决定下一步t+1的状态st+1与奖励rt+1。要学习的策略表示为给定的状态下采取的动作。智能系统的目标不是短期奖励的最大化，而是长期累积奖励的最大化。强化学习过程中，系统不断地试错，以达到学习最优策略的目的。
基于路面不平度的强化学习主要步骤为首先计算不平整路面的路面功率谱密度，其次对路面不平度数据集进行标定，最后根据标定的数据集进行电磁力的自适应调节。路面功率谱密度Gn(n)的拟合表达式为：
式中，n为空间频率(m-1)，它是波长λ的倒数，表示每米长度中包括几个波长；n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1；Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为m2/m-1＝m3；W为频率指数，是双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面功率谱密度的频率结构。
如图5所示，主要包括设计斥力的确定，衔铁直径的确定，外壳直径的确定，外壳内径的确定，线圈厚度的确定，线圈长度的确定，导线直径的确定，线圈匝数的确定，电阻的确定，计算斥力的确定。部分设计公式如下所示。
电磁力的计算主要考虑表面力，计算公式为：
式中：F为最大斥力，Bp为磁感应强度；dc为铁芯直径。
线圈厚度为：
式中：bk为线圈厚度；D2为线圈外径；Δ为线圈骨架及绝缘厚度，单位为mm。
线圈长度为：
Ik＝β×bk
式中：Ik为线圈长度；β为线圈长度Ik与厚度bk的比值。
导线直径为：
式中：Dcp为平均直径；ρ为铜的电阻率(Ω·m)；IW为线圈磁势(安匝)；U为工作电压。
线圈匝数设计为：
式中：j为容许电流密度(A/mm2A/mm2)。
最终磁悬浮线的设计参数表1所示，计算出来的斥力大于设计斥力，因此以上设计参数是可取的。
表1磁悬浮线圈的设计参数
| 设计参数 | 设计数值 |
| 设计斥力F | 183kg |
| 衔铁直径dc | 56mm |
| 外壳内径D2 | 151mm |
| 线圈厚度bk | 45mm |
| 线圈长度Ik | 153mm |
| 导线直径d | 1.2mm |
| 线圈匝数N | 126匝 |
| 电阻R | 1Ω |
| 斥力计算F1 | 300kg |
其次对基于加速度反馈的悬浮控制算法进行说明。加速度反馈的悬浮控制算法主要使用模糊PID控制器，依据系统输出的加速度偏差，采取模糊推理作为相应对策，在线自调整PID的参数Kp、Ki和Kd，实现基于磁悬浮的舱体系统优良的动态特性和稳态性能。下面进行具体说明。
忽略外界干扰，磁路饱和以及电磁铁间的磁阻，并假设电磁铁仅有垂直方向的位移，则运动方程被表述为
根据能量守恒定律、基尔霍夫定理、毕奥-萨伐尔定律
式中：m为悬浮模块的质量；M为病人的质量；g为重力加速度；Fu为电磁力；Fd为外部扰动；Fu(i,x)为电磁力随输入电流和两电磁铁的垂向距离的函数；Fd(i,x)为外部扰动随输入电流和两电磁铁的垂向距离的函数；μ0为真空磁导率；N为电磁铁线圈匝数；A为铁心的有效截面积；R为线圈电阻；k为电磁力系数；F为电磁力；i为输入电流的大小；x为两电磁铁的垂向距离，方向向下为正。
如图6所示，本控制系统采用双闭环控制，外环5ms执行一次，采用模糊PI控制器系统，内环使用传统PI控制器，1ms执行一次。模糊PI电磁力控制器以减速度偏差和偏差的变化率为输入值，经过模糊控制以及PID控制，控制垂直方向上的加速度大小。模糊PID中输入的偏差e和偏差的变化率ec为[-50,50]，输入和输出的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，元素含义为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，模糊控制器的模糊论域为{-6,6}，采用三角函数作为隶属函数，输入-输出隶属函数图如图7所示。根据以上分析，建立模糊推理规则，以偏差e和偏差的变化率ec对ΔKP、ΔKi的输出进行控制，控制规则如表2～表3所示。根据模控制规则得到ΔKP、ΔKi、ΔKd这3个模糊值，在实际应用中需要对其模糊值进行去模糊化，得到一个实际值。常用的方法有重心法、最大隶属度法以及加权平均法等，本文根据实际情况采用加权平均法进行输出量的去模糊化。
表2ΔKP的控制规则
表3ΔKi的控制规则
最后对控制方法的软件部分进行说明。控制方法的软件部分主要分为主循环、定时器1中断和定时器2中断。如图8所示为主循环流程图，其中主循环中首先初始化外设如定时器，模糊采集AD和输入输出接口IO，然后初始化基本参数如Kp和Ki环节以及目标垂向加速度；初始化完成后启动磁悬浮系统，并且不断采集各个电磁铁工作电流。如图9所示为定时器1和2中断流程图，定时器1中断10ms执行一次，主要完成电磁外环，当发生更新事件进入中断，通过单片机采集的垂向加速度数据转化为误差和误差变化率，然后经过模糊控制器求解得到Kp和Ki，最后通过求解的Kp和Ki计算出目标电流；定时器2中断5ms执行一次，主要完成电流内环，当发生定时器2更新事件中断，通过模糊变换采集的电流转化为电流误差和误差变化率，然后经过PI控制器得到脉冲宽度调制PWM的芯片配置寄存器CCR的值，更新CCR寄存器的值产生相应的PWM来驱动电磁铁。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本说明书中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种基于磁悬浮的救护车移动舱的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、计算不平整路面的路面功率谱密度；
步骤二、对路面不平度数据集进行标定；
步骤三、根据标定的数据集进行电磁力的自适应调节；
所述步骤一中路面功率谱密度Gq(n)的拟合表达式为：
式中，n为空间频率(m-1)是波长λ的倒数，表示每米长度中包括几个波长；n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1；Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为m2/m-1＝m3；W为频率指数，是双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面功率谱密度的频率结构；
电磁铁组件(32)包括磁悬浮线圈和控制器，所述控制器通过控制通过磁悬浮线圈的电流的大小控制电磁力的大小；
步骤三中电磁力的自适应调节方法：
首先根据移动舱设定载荷确定磁悬浮线圈参数；
其次根据标定的数据集基于加速度反馈的悬浮控制算法控制磁悬浮线圈产生的电磁力的大小；
所述磁悬浮线圈参数的确定方法为：
电磁力的计算主要考虑表面力，计算公式为：
式中：F为最大斥力(kg)，Bp为磁感应强度(Gs)，dc为铁芯直径(mm)；
线圈厚度为：
式中：D2为线圈外径(mm)，Δ为线圈骨架及绝缘厚度(mm)，bk为线圈厚度(mm)；
线圈长度为：
Ik＝β×bk
式中：Ik为线圈长度、β为线圈长度Ik与厚度bk的比值；
导线直径为：
式中：Dcp为平均直径(m)，ρ为铜100℃时的电阻率(Ω·(mm)2/m)，IW为线圈磁势(安匝)，U为工作电压(V)；
线圈匝数设计为：
式中：j为容许电流密度；
所述加速度反馈的悬浮控制算法采用使用模糊PID控制，基于磁悬浮的基本作用模型根据系统输出的加速度偏差，采取模糊推理作为相应对策，在线自调整PID的参数Kp、Ki和Kd，实现舱体的无加速度的悬浮；
所述控制器包括模糊PI电磁力控制器和电流PI控制器，所述模糊PI电磁力控制器和电流PI控制器采用双闭环控制，外环采用模糊PI电磁力控制器，5ms执行一次；内环采用电流PI控制器，1ms执行一次；
模糊PI电磁力控制器以减速度偏差和偏差的变化率为输入值，经过模糊控制以及PID控制，控制垂直方向上的加速度大小；
模糊PID中输入的偏差e和偏差的变化率ec为[-50,50]，输入和输出的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，元素含义为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，模糊控制器的模糊论域为{-6,6}，采用三角函数作为隶属函数；
根据输入-输出隶属函数图分析，建立模糊推理规则，以偏差e和偏差的变化率ec对ΔKP、ΔKi的输出进行控制；根据模糊控制规则得到ΔKP、ΔKi、ΔKd这3个模糊值，在实际应用中需要对其模糊值进行去模糊化，得到一个实际值。
2.一种实现权利要求1所述的基于磁悬浮的救护车移动舱的控制方法的救护车移动舱，包括移动小车(1)、舱体(2)，所述舱体(2)位于移动小车(1)内；其特征在于：所述移动小车(1)与舱体(2)之间设有磁悬浮模块(3)，所述磁悬浮模块(3)包括安装在舱体(2)底部的永磁体(31)和安装在移动小车(1)上的电磁铁组件(32)，所述永磁体(31)与电磁铁组件(32)的磁极同极相对；
所述移动小车(1)四周设有护板(11)，所述护板(11)与舱体(2)之间设有水平定位弹簧组件(4)；所述水平定位弹簧组件(4)随舱体(2)沿竖直方向上下浮动。
3.根据权利要求2所述的基于磁悬浮的救护车移动舱，其特征在于：所述水平定位弹簧组件(4)包括导向柱(41)和定位弹簧(42)，所述导向柱(41)一端与舱体(2)固定连接，所述导向柱(41)的另一端穿过定位弹簧(42)与护板(11)活动连接。
4.根据权利要求2所述的基于磁悬浮的救护车移动舱，其特征在于：所述舱体(2)底部设有铅板(5)，所述铅板(5)位于磁悬浮模块(3)与舱体(2)内部型腔之间。
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| CN202111039501.7A CN113952123B (zh) | 2021-09-06 | 2021-09-06 | 一种基于磁悬浮的救护车移动舱及其控制方法 |
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| CN107661173A (zh) * | 2016-07-29 | 2018-02-06 | 刘运武 | 一种磁悬浮担架 |
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2021
- 2021-09-06 CN CN202111039501.7A patent/CN113952123B/zh active Active
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