运动控制方法、装置及系统与流程

本说明书涉及医疗设备技术领域，尤其涉及运动控制方法、装置及系统。

背景技术：

放射治疗是治疗肿瘤的三大常规手段之一，医用直线加速器是放射治疗常用的一种治疗设备，其根据不同种类的细胞对射线的敏感性不同，利用加速器发出的射线极大程度的杀死肿瘤组织并尽量保护其周围正常组织。这就要求高能射线束(射束)流射向患者时，照射范围与肿瘤组织之间具有很高的匹配度。

直线加速器的运动控制系统的基本原理是，控制器根据目标给定值和传感器的反馈值的差值对执行器发出调节信号，进而改变被控对象的运动状态。

在目前直线加速器的运动控制系统中，存在当期望值与实际值差距过大时，有可能导致执行器的控制量变化过大或波动频繁的问题，这造成了执行器频繁剧烈变化影响其使用寿命，而且还会导致被控对象出现过冲的现象。

技术实现要素：

为克服相关技术中存在的问题，本说明书提供了一种运动控制方法、装置及系统。

具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

第一方面，提供一种运动控制方法，所述方法应用在直线加速器系统的mcu，所述系统还包括传感器、执行器，所述方法用于按照多个控制周期控制被控对象从起点运行到目标点，包括：

针对每个控制周期，获取所述控制周期初始时刻运动参数的实际值；

确定在所述控制周期内的运动参数的规划值；

按照所述规划值以及所述实际值控制被控对象在当前周期内运动。

第二方面，提供一种运动控制装置，所述装置应用在直线加速器系统的mcu，所述系统还包括传感器、执行器，所述装置用于按照多个控制周期控制被控对象从起点运行到目标点，包括：

获得单元，用于针对每个控制周期，获取所述控制周期初始时刻运动参数的实际值；

规划单元，用于针对每个控制周期，确定在所述控制周期内的规划值；

控制单元，用于针对每个控制周期，按照所述规划值以及所述实际值控制被控对象在当前周期内运动。

第三方面，提供一种mcu，包括：内部总线，以及通过内部总线连接的存储器、处理器和外部接口；其中，

所述外部接口，用于连接直线加速器系统的执行器，所述系统还包括传感器；

所述存储器，用于存储运动控制逻辑对应的机器可读指令；

所述处理器，用于读取所述存储器上的所述机器可读指令，并执行所述指令以按照多个控制周期控制被控对象从起点运行到目标点，具体实现如下操作：

针对每个控制周期，获取所述控制周期初始时刻运动参数的实际值；

确定在所述控制周期内的规划值；

按照所述规划值以及所述实际值控制被控对象在当前周期内运动。

第四方面，提供一种直线加速器系统，包括：mcu、执行器、传感器；其中，

所述mcu，用于按照多个控制周期控制输出控制量，具体用于针对每个控制周期，获取所述控制周期初始时刻运动参数的实际值，确定在所述控制周期内的规划值，基于所述规划值以及所述实际值输出控制量；

所述执行器，用于根据所述mcu输出的控制量驱动所述被控对象在所述控制周期内运动；

所述传感器，用于检测所述运动参数的实际值，并将所述实际值反馈至所述mcu。

本说明书的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本说明书实施例中，通过周期性地输出运动参数的规划值，利用当前周期运动参数的实际值和规划值控制被控对象在该周期内运动，从而控制被控对象按照多个控制周期从起点运动到目标点，使控制被控对象的控制量变化平稳，防止了系统内部参数出现过冲、震荡或者发散的现象，为被控对象提供了更为舒适的运动轨迹。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本说明书的实施例，并与说明书一起用于解释本说明书的原理。

图1a是本申请根据一示例性实施例示出的一种直线加速器系统的结构示意图；

图1b是本申请根据一示例性实施例示出的一种直线加速器系统的工作示意图；

图2是本申请根据一示例性实施例示出的一种运动控制方法的流程图；

图3是本申请根据一示例性实施例示出的一种直线加速器系统的工作示意图；

图4是本申请根据一示例性实施例示出的另一种直线加速器系统的工作示意图；

图5a是本申请根据一示例性实施例示出的一种直线加速器系统在预调阶段的工作示意图；

图5b是本申请根据一示例性实施例示出的运动控制方法中一种获得校正参数的方法的流程图；

图6a是本申请根据一示例性实施例示出的另一种直线加速器系统在预调阶段的工作示意图；

图6b是本申请根据一示例性实施例示出的运动控制方法中另一种获得校正参数的方法的流程图；

图7a是本申请一示例性实施例示出的一种运动控制装置的示意图；

图7b是本申请一示例性实施例示出的另一种运动控制装置的示意图；

图8是本申请一示例性实施例示出的一种mcu的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书的一些方面相一致的装置和方法的例子。

参见图1a，为本申请一个例子中的直线加速器的结构示意图，该直线加速器系统包括mcu110、执行器120、传感器130。

在使用阶段，该直线加速器系统为闭环控制系统。其中，执行器120根据mcu110输出的控制量驱动被控对象140进行运动，传感器130将所检测的被控对象140的运动参数的实际值反馈至mcu110，mcu110结合该实际值输出控制量，从而完成被控对象140从起点至目标点的运动。

其中，传感器130可以针对需要检测的运动参数具体设置。例如，当检测的运动参数包括位置时，传感器130可以包括一个或多个位置传感器；当检测的运动参数包括运动速度时，传感器130可以包括一个或多个旋转变压器。

相关技术中，mcu始终根据运动参数的最终期望值以及传感器所反馈的实际值输出执行器的控制量。当期望值与实际值差距过大时，有可能导致mcu输出的控制量变化过大或波动频繁，造成执行器频繁剧烈变化影响其使用寿命，而且还会造成被控对象出现过冲的现象。

基于上述情况，在本申请实施例中，mcu110控制被控对像按照多个控制周期从起点运动到目标点，针对每个控制周期确定规划值，并基于该规划值以及该实际值输出该控制周期控制量，避免了运动参数的期望值与实际值差距过大的问题，使控制被控对象的控制量变化平稳。

图1b示出了图1a中的直线加速器的工作示意图。该直线加速器的mcu110针对每个控制周期进行工作，通过多个控制周期使被控对像运动到目标点。

如图1b所示，在mcu110中，运动规划模块111通过规划运动轨迹确定在当前控制周期内运动参数的规划值，并将该规划值以及传感器130所反馈的运动参数的实际值发送至控制器112，控制器112基于该规划值和实际值输出控制量以控制执行器120驱动被控对象140运动。传感器130所反馈的实际值是在当前控制周期初始时刻的值。

下面结合图1a和图1b所示的直线加速器系统对本申请的运动控制方法进行详细描述。

参见图2，为本申请运动控制方法的一个实施例流程图。该运动控制方法应用于图1a和图1b所示的直线加速器系统的mcu，该方法用于按照多个控制周期控制被控对象从起点运行到目标点，可以包括以下步骤：

在步骤201中，针对每个控制周期，获取控制周期初始时刻运动参数的实际值。

在本步骤中，在控制周期初始时刻采集被控对象的运动参数的实际值，作为这一控制周期的运动参数的初始值。在控制周期结束时运动参数的实际值则为下一控制周期初始时刻运动参数的实际值。

被控对象的运动参数可以包括位置和运动速度。也即，在控制周期初始时刻，可以同时获取被控对象的位置和运动速度的实际值；也可以仅获得被控对象位置的实际值，或仅获得运动速度的实际值。

在第一控制周期的初始时刻，位置的实际值为被控对象的起点位置，速度的实际值为零；在后续每个控制周期的初始时刻，位置和运动速度的实际值为前一个控制周期结束时位置和运动速度的实际值。

该多个控制周期的时长可以相同。也即，各个控制周期可以是时长固定且相同的周期。控制周期的时长可以根据需要而具体设置。

在步骤202中，确定在所述控制周期的规划值。

在本步骤中，基于系统加减速等性能需要规划运动轨迹，获得在当前控制周期内运动参数的规划值。该运动轨迹可以包括位置的轨迹以及运动速度的轨迹，规划值也相应地可以包括位置的规划值和运动速度的规划值。

通过针对每个控制周期规划出被控对象运动参数的规划值，并使各个控制周期的规划值不断地逼近最终的期望值，使得在最后一个控制周期时，规划值达到期望值。

在规划过程中，当规划出被控对象在当前控制周期运动到目标点的运动轨迹后，可以获得从当前控制周期直到运动结束时所有控制周期的规划值，但由于在每个控制周期中，所使用的仅为当前控制周期的规划值，而该规划值在进入下一个控制周期时已经发生了变化，因此在本步骤中，仅需获得后续一个或几个控制周期的规划值。在规划过程中，应当将系统的物理限制参数考虑进来，以计算每个控制周期的规划位置和规划运动速度。

在步骤203中，按照规划值以及实际值控制被控对象在当前周期内运动。

在每个控制周期内，基于初始时刻的实际值和该控制周期的规划值控制被控对象运动，在该控制周期结束时，运动参数的实际值达到或者接近该规划值，将此时的实际值视为下一控制周期初始时刻的实际值，在下一控制周期结束时运动参数的实际值又接近了下一控制周期的规划值。通过这种方式，在每个控制周期中，被控对象沿着当前所规划的运动轨迹向运动参数的期望值逼近，在所有控制周期结束时，被控对象到达目标点。

在本实施例中，通过根据多个控制周期控制控制被控对象从起点运动至目标点，在每个控制周期中规划值与当前实际值的差异较小，因而基于该差异所确定的控制被控对象运动的控制量较上一个控制周期的变化量也较小，从而防止了内部参数出现过冲、震荡或者发散的现象。并且，通过这种方式，可以使被控对像运动过程中，尤其是开始运动后以及在运动即将结束时，运动参数缓慢发生变化，避免了突然快速启动或者骤然停止所带来的不适感，为被控对象提供了更为舒适的运动轨迹。

在步骤202中，确定在控制周期的规划值包括：根据控制周期初始时刻运动参数的实际值和预设的运动参数的期望值，规划运动参数的变化轨迹，以确定在该控制周期的规划值。

参见图3所示的直线加速器的工作示意图。运动规划模块311根据预先设置的期望值以及控制周期初始时刻的实际值的确定在该控制周期的规划值，控制器312基于该规划值以及传感器330所反馈的运动参数的实际值，输出控制量以控制执行器320驱动被控对象340运动。

运动参数的期望值是指被控对象最终运动到目标点时，所期望达到的运动参数的值。对于直线加速器系统而言，位置的期望值为治疗计划中，被控对象的期望位置，而运动速度的期望值则通常为零，也即期望被控对象到达目标点的速度为零。

根据当前运动参数的实际值与最终期望值之间的差异，能够确定被控对象340运动至目标点符合系统性能要求的运动轨迹，将在当前控制周期结束时被控对像应当达到的运动参数的值作为在该控制周期的规划值；而在下一个控制周期时，基于相似的方式重新进行规划。以此类推，被控对象在各个控制周期的规划值不断地逼近最终的期望值，在最后一个控制周期时，规划值即为该期望值。

确定在控制周期的规划值还可以包括：按照预先设置的变化轨迹确定控制周期的规划值。

参见图4所示的直线加速器的工作示意图。运动规划模块411基于预先设置的运动参数的变化轨迹确定控制周期的规划值，控制器412基于该规划值以及传感器430所反馈的运动参数的实际值，输出控制量以控制执行器420驱动被控对象440运动。

位置和运动速度的变化轨迹可以是预先设定的渐变过程。例如位置的变化轨迹可以是直线，运动速度的变化轨迹可以是梯形加减速轨迹或s形加减速轨迹。通过设定上述变化轨迹，能够使被控对象在运动过程中，尤其是开始运动后以及在运动即将结束时，位置和运动速度缓慢发生变化。

由于电子期间受射线照射后使用寿命会大大缩短，因此医用直线加速器的辐射源所在的治疗头中的运动部件是不能使用编码器检测的，通常采用受辐射影响更小的旋转变压器进行测量。旋转变压器角度解算的一种常用方案是采用专门的旋变解算芯片(rdc芯片)进行硬件解码，但该类芯片解码精度往往是弧分级(arcmin)，对于高精度系统和低速运动系统来说其检测精度达不到要求；另一种常用方案是采用adc芯片、微处理器等分立器件构建解码器，通过软件算法解码，但分立器件构建的解码器在系统精度溯源、测量稳定性上具有缺陷，且势必要增加元器件，且所增加的元器件在长期辐射的环境下是否能正常工作也会带来选材上的困难。

基于上述情况，在本申请实施例中，该实施例还可以包括：在获取控制周期初始时刻运动参数的实际值之后，利用预设的校正参数对运动速度的实际值进行校正，从而在不增加元器件和成本的情况下，提高了旋转变压器的测速精度。

该校正参数可以在系统处于预调阶段时获得。

图5a示出了本申请一个例子的直线加速器在预调阶段的工作示意图。在该阶段，直线加速器的mcu510同样针对每个控制周期进行工作，通过多个控制周期使被控对像运动到目标点。

在mcu510中，运动规划模块511基于预先设置的运动参数的期望值和由传感器530反馈的位置的实际值规划运动轨迹，以获得在当前控制周期内运动参数的规划值，即位置的规划值和运动速度的规划值。其中，期望值可以包括位置的期望值和运动速度的期望值，或者不包括运动速度的期望值。传感器530所反馈的位置的实际值是在该控制周期初始时刻的值。

控制器512基于该控制周期内位置和运动速度的规划值，以及位置的实际值，输出控制量以控制执行器520驱动被控对象540运动。

同时，在每个控制周期，将传感器530所反馈的运动速度的实际值在该周期内运动速度的规划值存储在数据存储模块513中，在被控对象完成运动之后，校正算法模块514基于所存储的每个控制周期运动速度的实际值和运动速度的规划值，生成校正参数。

下面结合图5a所示的直线加速器系统对本申请的运动控制方法中一种获得校正参数的方法进行详细描述。

参见图5b，示出了在该运动控制方法中一种获得校正参数的方法的流程图，可以包括以下步骤：

在步骤501中，针对每个控制周期，获取控制周期初始时刻位置和运动速度的实际值。

在预调阶段中，控制周期的具体数值与使用阶段可以相同，也可以不同。

在步骤502中，根据位置的实际值以及位置的期望值确定在控制周期内位置和运动速度的规划值。

在预调阶段中，位置的期望值以及规划值的具体数值与使用阶段可以相同，也可以不同。

在步骤503中，按照位置和运动速度的规划值以及位置的实际值控制被控对象在当前周期内运动。

在步骤504中，在被控对象完成运动后，根据每个控制周期运动速度的规划值与下一个控制周期初始时刻运动速度的实际值之间的差异得到校正参数。

在运动完成之后，能够获得在每个控制周期初始时刻运动速度的实际值，也能够获得每个控制周期中运动速度的规划值。在理想情况下，在每个控制周期结束时刻(也即下一个控制周期起始时刻)，被控对像运动速度的实际值则为规划值。但由于运动速度的检测精度不足，在每个控制周期结束时刻，被控对像运动速度的实际值通常与规划值存在着差异。基于运动速度实际值和规划值在整个运动过程中的差异，则能够得到校正参数以对运动速度的实际值进行校正，以使检测到的运动速度更接近理论上应当达到的速度。

在一个例子中，通过最小二乘法或者神经网络逼近法对每个控制周期运动速度的规划值与下一个控制周期初始时刻运动速度的实际值进行拟合，通过得到实际值和规划值之间的修正函数，获得校正参数。

具体地，在运动完成之后，对于每个控制周期运动速度的规划值能够获得一组数据；而对于下一个控制周期初始时刻(当前控制周期结束时刻)运动速度的实际值同样能够获得一组数据。通过对这两组数据进行拟合，例如通过最小二乘法或者神经网络逼近法，则可以获得修正函数，也即获得了校正参数。在系统的使用阶段，对所获得的运动速度的实际值应用该修正函数，则能够获得运动速度的校正值。

本领域技术人员应当理解，上述方法并不限于运动速度的校正，也可以用于其他运动参数的校正。

当直线加速系统包括多个传感器时，可以得到多组校正参数，通过对多组校正参数取平均值而得到经验参数。在系统使用阶段，利用该经验参数对运动参数的实际值进行校正。在后续维护时，即使更换其中一个传感器也不需要再进行预调阶段。

系统的预调阶段，也可以在pc端使用数据处理软件(如matlab,python等)与mcu接口，对各个控制周期的规划值数据和相应的实际值进行拟合。由于数据处理软件的拟合方法集成度高而且数据处理手段更为丰富，能够提高处理效率和提高处理质量。

图6a示出了本申请一个例子的直线加速器的工作示意图，其工作于预调阶段。其与图5a所示实施例的区别在于，控制器612基于运动速度的规划值确定输出控制量，传感器630所反馈的位置的实际值，以及所确定的位置的规划值不参与执行器620的控制量的确定。

下面结合图6a所示的直线加速器系统对本申请的运动控制方法中一种获得校正参数的方法进行详细描述。

参见图6b，示出了在该运动控制方法中另一种获得校正参数的方法的流程图，可以包括以下步骤：

在步骤601中，针对每个控制周期，获取控制周期初始时刻位置和运动速度的实际值。

在步骤602中，根据位置的实际值以及位置的期望值确定在该控制周期内的规划值。

在步骤603中，按照运动速度的规划值控制被控对象在当前周期内运动。

在步骤604中，在被控对象完成运动后，根据每个控制周期运动速度的规划值与下一个控制周期初始时刻运动速度的实际值之间的差异得到校正参数。

在该实施例中，根据实际值和规划值之间的差异获得校正参数的具体过程可以与图5b所示实施例相同。

与前述方法的实施例相对应，本申请还提供了运动控制装置。mcu及直线加速器系统的实施例。

参见图7a，为本申请运动控制装置的一个实施例框图，该装置可应用在直线加速器系统的mcu，该系统还包括传感器、执行器，该装置用于按照多个控制周期控制被控对象从起点运行到目标点，该装置包括：获得单元710、规划单元720和控制单元730。

其中，获得单元710，用于针对每个控制周期，获取所述控制周期初始时刻运动参数的实际值；

规划单元720，用于针对每个控制周期，确定在所述控制周期内的规划值；

控制单元730，用于针对每个控制周期，按照所述规划值以及所述实际值控制被控对象在当前周期内运动。

参见图7b，为本申请运动控制装置的一个实施例框图，该实施例中的运动控制装置在前述图7a所示实施例的基础上，还可以包括：

校正单元740，用于当系统处于预调阶段时，通过校正参数对控制周期初始时刻运动速度的实际值进行校正。

参见图8，为本申请mcu的一个实施例框图，该mcu可以包括：通过内部总线810连接的存储器820、处理器830和外部接口840。

其中，外部接口840，用于连接直线加速器系统的执行器，该系统还包括传感器；

存储器820，用于存储运动控制逻辑对应的机器可读指令；

处理器830，用于读取存储器上的机器可读指令，并执行该指令以按照多个控制周期控制被控对象从起点运行到目标点，具体实现如下操作：

针对每个控制周期，获取所述控制周期初始时刻运动参数的实际值；

确定在所述控制周期内的运动参数的规划值；

按照所述规划值以及所述实际值控制被控对象在当前周期内运动。

在本申请实施例中，计算机可读存储介质可以是多种形式，比如，在不同的例子中，所述机器可读存储介质可以是：ram(radomaccessmemory，随机存取存储器)、易失存储器、非易失性存储器、闪存、存储驱动器(如硬盘驱动器)、固态硬盘、任何类型的存储盘(如光盘、dvd等)，或者类似的存储介质，或者它们的组合。特殊的，所述的计算机可读介质还可以是纸张或者其他合适的能够打印程序的介质。使用这些介质，这些程序可以被通过电学的方式获取到(例如，光学扫描)、可以被以合适的方式编译、解释和处理，然后可以被存储到计算机介质中。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。