搜尋放射源機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

姜明明，趙永國，劉成業(yè)，孫 潔，朱 琳

（山東省科學(xué)院自動化研究所 山東省機(jī)器人與制造自動化技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，濟(jì)南250014）

放射源在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、同位素儀表和科學(xué)研究等領(lǐng)域[1]已得到廣泛的應(yīng)用。然而放射源丟失事件卻時(shí)有發(fā)生，2014年南京銥-192放射源丟失事件[2]，造成多人受照。目前，對于丟失的放射源多采用人工搜尋的辦法，不僅效率低，還容易使搜索人員遭受核輻射的危害。使用搜尋放射源機(jī)器人，不需要人員到丟失現(xiàn)場進(jìn)行搜尋，不僅提高了工作效率，還可以避免搜索人員遭受核輻射的危害，因而研制一款自動搜尋放射源的機(jī)器人具有重要意義。

切爾諾貝利事件中，德國的Mobot-CHHV[3]用于清除放射性垃圾；美國irobot的Packbot[4]機(jī)器人以及日本的Quince[5]機(jī)器人在福島核電站事故[6]中參加了救援工作，然而這些機(jī)器人并非專用的放射源搜索的機(jī)器人。國內(nèi)東南大學(xué)[7]研制出了遙控防化機(jī)器人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[8-9]對尋源算法進(jìn)行了研究，這兩項(xiàng)研究均采用單個(gè)尋源傳感器，尋源算法復(fù)雜。

在此，設(shè)計(jì)了一種搜尋放射源的機(jī)器人，采用了核尋源傳感器A和傳感器B對放射源進(jìn)行定位，尋源算法簡單，穩(wěn)定性高。操作盒構(gòu)成的規(guī)劃級和車載端構(gòu)成的控制級，實(shí)現(xiàn)了放射源自動搜索定位的功能，且定位精確，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

1 搜尋放射源機(jī)器人系統(tǒng)

搜尋放射源機(jī)器人，主要由操作盒構(gòu)成的規(guī)劃級、車體機(jī)器人組成的控制級以及尋源傳感器系統(tǒng)三部分組成。操作盒和車體之間采用無線網(wǎng)絡(luò)和485數(shù)傳電臺進(jìn)行通信。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

如圖所示，遙操作盒發(fā)送控制指令給車體工控機(jī)，進(jìn)而控制車體、機(jī)械臂、相機(jī)云臺、傳感器B云臺運(yùn)動，同時(shí)顯示車體部分反饋的實(shí)時(shí)圖像、車體運(yùn)行的速度、放射源劑量率、放射源角度等信息。車體部分主要接收操作盒傳來的指令，并控制相關(guān)設(shè)備執(zhí)行對應(yīng)的動作，同時(shí)將傳感器采集的信息反饋給操作盒。

1.1 規(guī)劃級操作盒

由操作盒構(gòu)成的規(guī)劃級，是整個(gè)系統(tǒng)的指令發(fā)送和信息采集處理的總終端?？刂萍壥盏揭?guī)劃級的控制指令后，才執(zhí)行各種動作。操作盒的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 操作盒結(jié)構(gòu)Fig.2 Operation box structure

如圖所示，顯示屏Pad主要接收輸入控制信號和顯示控制級反饋的信息；二自由度搖桿，作為規(guī)劃級的輸入設(shè)備；按鍵為電源通斷按鍵以及地址切換按鍵；天線包括無線通信模塊天線和485數(shù)傳模塊天線。盒體內(nèi)部裝有四維鍵盤控制板。四維鍵盤是規(guī)劃級的輸入設(shè)備，通過配置其地址，可以選擇控制車體運(yùn)動、云臺運(yùn)動、機(jī)械臂運(yùn)動等。

1.2 控制級車體

搜尋放射源機(jī)器人控制級的結(jié)構(gòu)如圖3所示。控制級主要由六輪六驅(qū)動移動平臺、六自由度機(jī)械臂、監(jiān)控云臺、控制箱組成。其中，控制箱裝有工控機(jī)、供電模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、485數(shù)傳模塊和通信轉(zhuǎn)換接口等。

圖3 搜尋放射源機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of robot for locating gamma radiation source

如圖所示，機(jī)器人殼體的內(nèi)壁防護(hù)材料為1 cm鉛板。監(jiān)控云臺可以控制攝像機(jī)360°旋轉(zhuǎn)，上下0°～180°運(yùn)動?？刂葡渲?，核心控制模塊為工控機(jī)，主要通過無線通信接收操作盒的控制指令，進(jìn)而控制車體、機(jī)械臂、云臺的運(yùn)動。工控機(jī)將核尋源傳感器A和傳感器B采集的信息處理后，用于控制車體向指定位置運(yùn)動。機(jī)械臂由六自由度關(guān)節(jié)機(jī)機(jī)械臂和抓手組成。六驅(qū)動移動平臺主要由6個(gè)輪轂電機(jī)、6個(gè)驅(qū)動器和碳鋼車體組成。

1.3 尋源傳感器系統(tǒng)

尋源傳感器系統(tǒng)，主要由傳感器A，傳感器B，傳感器接口模塊（IM）和用于放射源搜索控制的數(shù)據(jù)采集軟件組成，如圖4所示。

傳感器A是一款伽馬射線檢測設(shè)備，可以檢測伽馬放射源劑量率，確定放射源所在的方位角。傳感器A測量范圍為3.7×10-7～10 Gy/h，輻射劑量的基本誤差＜20%。傳感器A測量方向范圍為0～360°，當(dāng)輻射劑量＜10 μGy/h 時(shí)，角度測量誤差為±30°；當(dāng)輻射劑量＞10 μGy/h時(shí)，角度測量誤差為±5°。 在放射源未知或者劑量率較小時(shí)，適宜采用傳感器A確定放射源的大體方位。

傳感器B也是一款伽馬射線檢測設(shè)備，測量范圍為7×10-5～100 Gy/h，傳感器B所測伽馬輻射劑量的基本誤差為20%。傳感器B角度方向范圍為±15°，角度誤差為±2°。在放射源大體方位確定后，就可以使用傳感器B進(jìn)行精確定位。

IM的主要作用是給傳感器B和傳感器A供電，同時(shí)將傳感器B和傳感器A采集的信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車體工控機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件。

數(shù)據(jù)采集軟件是尋源傳感器系統(tǒng)的核心，主要采集、處理并顯示兩傳感器采集的放射源劑量率和角度信息。

2 核防護(hù)

核防護(hù)是搜尋放射源機(jī)器人與普通機(jī)器人的重要區(qū)別。核輻射會影響其電子設(shè)備、相機(jī)等的正常工作。目前的核輻射防護(hù)一般有4種方法[10]：屏蔽防護(hù)；時(shí)間防護(hù)；距離防護(hù)；個(gè)人衛(wèi)生防護(hù)。本設(shè)計(jì)主要采用屏蔽防護(hù)。車體部分采用1 cm鉛板附掛在其外殼內(nèi)側(cè)；工控機(jī)、無線通信模塊等設(shè)備由壁厚為4 cm的鉛盒單獨(dú)封存；攝像頭采用鉛玻璃防護(hù)。

3 尋源算法

放射源搜索采用三角定位法。其原理如圖5所示，A為車體初始位置，C為未知的放射源的位置。

圖5 放射源三角定位法Fig.5 Triangle localization for gamma radiation source

車體在A點(diǎn)時(shí)，打開數(shù)據(jù)采集軟件上的傳感器A的“開始”按鈕，讀取當(dāng)前劑量率數(shù)值和∠A度數(shù)α；車體運(yùn)動到B點(diǎn)時(shí)，讀取當(dāng)前劑量率數(shù)值和∠B度數(shù)β。線段AB的距離l可以通過車體的速度和運(yùn)行時(shí)間求得，故為已知。已知三角形的兩角和一邊，根據(jù)三角形相關(guān)定理，就可以求得中垂線CD的長度h和CD線段在平面中的位置：

然后，車體運(yùn)動到D點(diǎn)，沿線段DC運(yùn)動到CD的中點(diǎn)H點(diǎn)。在H點(diǎn)所在的直線EF上，隨機(jī)選取2點(diǎn)如E點(diǎn)和F點(diǎn)，重復(fù)上一步的流程，找到△CEF的中垂線CH（中垂線不一定與上一次的中垂線重合），控制車體沿CH運(yùn)動到CH的中點(diǎn)處，重復(fù)以上步驟。

若測得的劑量率＞3.7×10-5Gy/h，或經(jīng)計(jì)算得到車體距離放射源較近時(shí)，可以關(guān)閉傳感器A，打開角度誤差更低的傳感器B。重復(fù)以上測量的步驟，直至找到放射源。

4 軟件設(shè)計(jì)

搜尋放射源機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)，主要包括車體部分軟件設(shè)計(jì)和遙操作盒部分軟件設(shè)計(jì)。

車體部分軟件設(shè)計(jì)基于C++編程語言實(shí)現(xiàn)七大功能模塊的功能：①移動平臺電機(jī)控制模塊，基于485通信，通過6個(gè)驅(qū)動器控制6個(gè)無刷直流電機(jī)運(yùn)動；②機(jī)械臂控制模塊，采用CAN通信協(xié)議控制機(jī)械臂；③相機(jī)云臺控制和傳感器B云臺控制，采用485通信，基于pelco協(xié)議控制這兩個(gè)二自由度的云臺；④獲取數(shù)據(jù)采集軟件讀取的傳感器B和傳感器A采集的劑量值和角度值，并反饋給上位機(jī)；⑤控制車體攝像機(jī)和機(jī)械臂攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場圖像；⑥根據(jù)采集的角度值和劑量值控制車體自主導(dǎo)航；⑦接收遙操作盒發(fā)送的控制指令，發(fā)送車體傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給遙操作盒。

遙操作盒部分采用C++語言編程，實(shí)現(xiàn)以下功能：①實(shí)時(shí)采集搖桿傳送來的控制指令；②將搖桿或者點(diǎn)擊觸摸屏控制按鈕的指令傳遞給車體控制器，實(shí)時(shí)接收車體控制器傳來的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示分析。顯示的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)采集的圖像，傳感器B劑量率、角度，傳感器A劑量率、角度，車體的速度值，電池電壓，等；③功能切換，自主導(dǎo)航和人工控制可切換。

5 性能測試

為了測試尋源機(jī)器人的性能，在非輻射條件下對機(jī)器人的控制性能進(jìn)行測試。在中國計(jì)量院Cs-137輻射環(huán)境下對傳感器A和傳感器B的劑量率、角度進(jìn)行了測試。

在非輻射環(huán)境下，分別對移動平臺的力學(xué)性能、通信性能、續(xù)航能力、機(jī)械臂控制能力、云臺控制能力、相機(jī)圖像采集能力等方面進(jìn)行了測試。測試結(jié)果為機(jī)器人最大速度為1 m/s；爬坡角度15°；無遮擋的情況下通信距離＞400 m；能夠控制機(jī)械臂運(yùn)動；能夠控制云臺做俯仰與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；相機(jī)可以實(shí)時(shí)抓取圖像，且圖像能在遙操作盒上顯示；車體最大負(fù)重180 kg；電池巡航時(shí)間＞4 h。

在放射源環(huán)境下分別對傳感器A和傳感器B所測量的劑量率和角度值進(jìn)行了4次試驗(yàn)。

傳感器A劑量率試驗(yàn)時(shí)，傳感器A參考箭頭與實(shí)際放射源成180°，在實(shí)際值劑量率為0.4×10-7Gy/h環(huán)境下，傳感器A所測的劑量率誤差為8%；在劑量率為 0.4×10-7～9.34×10-2Gy/h 范圍內(nèi)隨機(jī)選取 5 組數(shù)據(jù)，傳感器A所測的劑量率誤差均＜20%，故可以用于尋源機(jī)器人。

傳感器A角度誤差試驗(yàn)時(shí)，在放射劑量率為1×10-3Gy/h 和 1×10-6Gy/h 時(shí)，設(shè)置不同的角度（0～360°范圍內(nèi)），分別進(jìn)行5次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，角度誤差均＜±13°，滿足對放射源所處區(qū)域的粗定位。

表1 傳感器A角度測量結(jié)果Tab.1 Sensor A angle measurement results

傳感器B劑量率試驗(yàn)時(shí)，傳感器B參考箭頭與實(shí)際放射源成0°，在劑量率為4×10-5Gy/h環(huán)境下，傳感器B劑量率誤差為2.2%；在劑量率為4×10-5～3×10-2Gy/h范圍內(nèi)選取5組數(shù)據(jù)，傳感器B劑量率誤差均＜20%，故可以用于尋源機(jī)器人。

傳感器B角度誤差試驗(yàn)時(shí)，在放射劑量率為0.05，0.1，1×10-6Gy/h 下，設(shè)置不同的角度（±15°范圍內(nèi)），分別進(jìn)行數(shù)次試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，結(jié)果表明，除臨界角度為15°時(shí)角度測量誤差為-5.87°，其他角度誤差均＜2°，滿足對放射源所處區(qū)域的精確定位。

表2 傳感器B角度測量結(jié)果Tab.2 Sensor B angle measurement results

6 結(jié)語

針對伽馬放射源丟失時(shí)的尋源需求，研制了一款基于進(jìn)口尋源傳感器的六輪移動尋源機(jī)器人。該機(jī)器人采用無線通信方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過攝像頭可實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場環(huán)境?；趥鞲衅鰾和傳感器A采集的數(shù)據(jù)，既可以實(shí)現(xiàn)對放射源的人工手動搜索，又可采用三角定位法實(shí)現(xiàn)自動尋源。有源環(huán)境和無源環(huán)境的試驗(yàn)結(jié)果表明，該尋源機(jī)器人可以用于放射源的搜尋。下一步將進(jìn)行實(shí)地尋源試驗(yàn)以及機(jī)械臂抓取試驗(yàn)。該機(jī)器人研制成功后，可廣泛用于放射源的搜尋以及核電站環(huán)境檢測等，將大大減輕核輻射對放射性工作人員的傷害。

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