多场景医疗物流循迹小车建模与半物理仿真

获奖团队介绍

参赛单位：西安交通大学
指导教师：沈瑶、高昕悦
团队成员：韩紫合、王伯一、纪晓松

一、研究背景

在工业4.0与健康中国2030战略双重驱动下，医疗系统数字化转型进入深水区。医院内部物流作为支撑临床工作的血液循环，其效率直接影响医疗服务质量。传统人工递送模式在处理高频次、零散化的药品及耗材转运时，存在响应滞后、路径随机、人力成本高等问题。特别是在重症监护室或传染病区，非接触式自动化配送不仅是提升效率的手段，更是保障医护安全、阻断病原体传播的物理屏障。

当前移动机器人在医疗特定工况下面临三大挑战：一是环境复杂性，医院走廊存在大量行人和推车等动态障碍，光照条件变化大；二是运动学约束，两轮差速结构虽灵活，但高速或重载转向时存在非线性约束，传统线性控制模型难以实现厘米级精准跟踪；三是开发周期冗长，传统实机反复测试的迭代路径导致硬件损耗大、成本高。

引入基于MWORKS的数字化建模与半物理仿真技术具有显著工程价值，可在硬件投入前对复杂路径进行上万次仿真，识别逻辑缺陷，并利用半物理架构将真实控制器接入虚拟回路，极大压缩从实验室到临床应用的距离。深度应用国产自主平台MWORKS，也是应对软件断供风险、建立我国智能装备开发生态的战略需要。

二、系统模型构成

本系统采用四层一体化总体框架，自上而下依次为：

1. 感知与输入模块

轨迹生成模块：支持直线、L形、操场形三种典型路径的参数化生成
传感器噪声注入：模拟编码器高斯噪声，标准差约1厘米，贴近真实硬件误差
编码器反馈：接收左右轮脉冲信号，逆解小车位姿
状态机指令：输出直行、转弯、停车等系统状态

2. 控制决策模块

误差计算：采用投影法计算横向位置误差和航向误差
控制器核心：支持纯P控制和双环PID控制两种模式，可按场景切换
性能指标计算：通用性能指标组件，实时计算最大误差、RMSE、MAE、终点偏差、调节时间五项指标

3. 运动学模型模块

车辆运动学模型：提供自行车模型（阿克曼近似）和差速驱动模型两种
位姿更新：通过积分实时更新小车位置和航向角
PWM生成：三角波比较法生成电机驱动信号，支持死区非线性模拟

4. 执行与部署模块

半物理接口层：HardwareInterfaceNoisy模块同步注入编码器噪声与PWM死区
PWM输出：标准化占空比指令，可直接驱动H桥电机
实体部署：支持一键生成树莓派C/C++代码，实现虚实联动

三、关键技术

Sysplorer平台状态机建模技术：通过图形化组态搭建控制逻辑节点与状态跳转关系，实现直行、转弯、停车等状态的精准识别与电机控制信号输出。状态机与连续动力学模型在同一Modelica环境联合仿真，避免传统协同仿真的接口配置与数据同步问题。
跨场景复用的通用性能指标计算技术：针对直线、L形、操场形三种轨迹差异，设计PerformanceMetricsUniversal通用组件，通过可配置参数实现五项指标的实时计算，无需为每个场景重复建模，显著提升模型复用度。
带噪声与死区的半物理仿真接口技术：在单一接口模块中同步注入编码器高斯噪声与PWM死区非线性，模拟真实树莓派控制环境下的传感器误差与电机启动阈值，使仿真环境高度逼近物理实体，提升算法迁移成功率。
差异化场景适配控制策略：根据轨迹特征量体裁衣，直道长道占比高时采用低增益纯P加死区抑制抖动；曲率突变时采用双环PID分工修正线速度与角速度；闭合回路时采用环形索引消除累积误差。

四、典型工况与控制方案

1. 直线走廊场景

工况描述：模拟医院病房走廊直行配送，10米水平直道点对点配送
控制方案：纯P控制器，降低比例增益并引入航向权重，抑制高速直道高频抖动
性能表现：稳态MAE约1.28厘米，调节时间约1.0秒，最大误差约5厘米

2. L形急弯场景

工况描述：模拟医院T字路口转向或病房区拐角绕行，90度直角转弯
控制方案：双环PID加差速驱动，外环以横向误差修正线速度，内环以航向误差修正角速度，积分项消除稳态偏差，微分项抑制转弯超调
性能表现：RMSE约0.721毫米，MAE约0.683毫米，最大误差约0.9毫米，转弯超调亚毫米级

3. 操场形闭环场景

工况描述：模拟医院病区环形巡回路径，双直道加双半圆闭合回路，连续作业120秒
控制方案：带死区的纯P控制器加环形局部搜索加前视控制，前视距离约0.8米，死区阈值5毫米，避免微小误差引起的转向震荡
性能表现：稳态MAE约4.42厘米，RMSE约5.51厘米，最大误差约13.35厘米，120秒运行无长期漂移

版本说明

V0.0.1，2026-06-22 11:41

初始版本