搜寻放射源机器人系统的设计

姜明明，赵永国，刘成业，孙 洁，朱 琳

（山东省科学院自动化研究所 山东省机器人与制造自动化技术重点试验室，济南250014）

放射源在工业、农业、医疗、同位素仪表和科学研究等领域[1]已得到广泛的应用。然而放射源丢失事件却时有发生，2014年南京铱-192放射源丢失事件[2]，造成多人受照。目前，对于丢失的放射源多采用人工搜寻的办法，不仅效率低，还容易使搜索人员遭受核辐射的危害。使用搜寻放射源机器人，不需要人员到丢失现场进行搜寻，不仅提高了工作效率，还可以避免搜索人员遭受核辐射的危害，因而研制一款自动搜寻放射源的机器人具有重要意义。

切尔诺贝利事件中，德国的Mobot-CHHV[3]用于清除放射性垃圾；美国irobot的Packbot[4]机器人以及日本的Quince[5]机器人在福岛核电站事故[6]中参加了救援工作，然而这些机器人并非专用的放射源搜索的机器人。国内东南大学[7]研制出了遥控防化机器人，哈尔滨工业大学[8-9]对寻源算法进行了研究，这两项研究均采用单个寻源传感器，寻源算法复杂。

在此，设计了一种搜寻放射源的机器人，采用了核寻源传感器A和传感器B对放射源进行定位，寻源算法简单，稳定性高。操作盒构成的规划级和车载端构成的控制级，实现了放射源自动搜索定位的功能，且定位精确，系统稳定可靠。

1 搜寻放射源机器人系统

搜寻放射源机器人，主要由操作盒构成的规划级、车体机器人组成的控制级以及寻源传感器系统三部分组成。操作盒和车体之间采用无线网络和485数传电台进行通信。系统架构如图1所示。

图1 系统架构Fig.1 System architecture

如图所示，遥操作盒发送控制指令给车体工控机，进而控制车体、机械臂、相机云台、传感器B云台运动，同时显示车体部分反馈的实时图像、车体运行的速度、放射源剂量率、放射源角度等信息。车体部分主要接收操作盒传来的指令，并控制相关设备执行对应的动作，同时将传感器采集的信息反馈给操作盒。

1.1 规划级操作盒

由操作盒构成的规划级，是整个系统的指令发送和信息采集处理的总终端。控制级收到规划级的控制指令后，才执行各种动作。操作盒的结构如图2所示。

图2 操作盒结构Fig.2 Operation box structure

如图所示，显示屏Pad主要接收输入控制信号和显示控制级反馈的信息；二自由度摇杆，作为规划级的输入设备；按键为电源通断按键以及地址切换按键；天线包括无线通信模块天线和485数传模块天线。盒体内部装有四维键盘控制板。四维键盘是规划级的输入设备，通过配置其地址，可以选择控制车体运动、云台运动、机械臂运动等。

1.2 控制级车体

搜寻放射源机器人控制级的结构如图3所示。控制级主要由六轮六驱动移动平台、六自由度机械臂、监控云台、控制箱组成。其中，控制箱装有工控机、供电模块、网络通信模块、485数传模块和通信转换接口等。

图3 搜寻放射源机器人结构示意Fig.3 Structure of robot for locating gamma radiation source

如图所示，机器人壳体的内壁防护材料为1 cm铅板。监控云台可以控制摄像机360°旋转，上下0°～180°运动。控制箱中，核心控制模块为工控机，主要通过无线通信接收操作盒的控制指令，进而控制车体、机械臂、云台的运动。工控机将核寻源传感器A和传感器B采集的信息处理后，用于控制车体向指定位置运动。机械臂由六自由度关节机机械臂和抓手组成。六驱动移动平台主要由6个轮毂电机、6个驱动器和碳钢车体组成。

1.3 寻源传感器系统

寻源传感器系统，主要由传感器A，传感器B，传感器接口模块（IM）和用于放射源搜索控制的数据采集软件组成，如图4所示。

传感器A是一款伽马射线检测设备，可以检测伽马放射源剂量率，确定放射源所在的方位角。传感器A测量范围为3.7×10-7～10 Gy/h，辐射剂量的基本误差＜20%。传感器A测量方向范围为0～360°，当辐射剂量＜10 μGy/h 时，角度测量误差为±30°；当辐射剂量＞10 μGy/h时，角度测量误差为±5°。 在放射源未知或者剂量率较小时，适宜采用传感器A确定放射源的大体方位。

传感器B也是一款伽马射线检测设备，测量范围为7×10-5～100 Gy/h，传感器B所测伽马辐射剂量的基本误差为20%。传感器B角度方向范围为±15°，角度误差为±2°。在放射源大体方位确定后，就可以使用传感器B进行精确定位。

IM的主要作用是给传感器B和传感器A供电，同时将传感器B和传感器A采集的信息通过网络发送给车体工控机上的数据采集软件。

数据采集软件是寻源传感器系统的核心，主要采集、处理并显示两传感器采集的放射源剂量率和角度信息。

2 核防护

核防护是搜寻放射源机器人与普通机器人的重要区别。核辐射会影响其电子设备、相机等的正常工作。目前的核辐射防护一般有4种方法[10]：屏蔽防护；时间防护；距离防护；个人卫生防护。本设计主要采用屏蔽防护。车体部分采用1 cm铅板附挂在其外壳内侧；工控机、无线通信模块等设备由壁厚为4 cm的铅盒单独封存；摄像头采用铅玻璃防护。

3 寻源算法

放射源搜索采用三角定位法。其原理如图5所示，A为车体初始位置，C为未知的放射源的位置。

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

车体在A点时，打开数据采集软件上的传感器A的“开始”按钮，读取当前剂量率数值和∠A度数α；车体运动到B点时，读取当前剂量率数值和∠B度数β。线段AB的距离l可以通过车体的速度和运行时间求得，故为已知。已知三角形的两角和一边，根据三角形相关定理，就可以求得中垂线CD的长度h和CD线段在平面中的位置：

然后，车体运动到D点，沿线段DC运动到CD的中点H点。在H点所在的直线EF上，随机选取2点如E点和F点，重复上一步的流程，找到△CEF的中垂线CH（中垂线不一定与上一次的中垂线重合），控制车体沿CH运动到CH的中点处，重复以上步骤。

若测得的剂量率＞3.7×10-5Gy/h，或经计算得到车体距离放射源较近时，可以关闭传感器A，打开角度误差更低的传感器B。重复以上测量的步骤，直至找到放射源。

4 软件设计

搜寻放射源机器人软件设计，主要包括车体部分软件设计和遥操作盒部分软件设计。

车体部分软件设计基于C++编程语言实现七大功能模块的功能：①移动平台电机控制模块，基于485通信，通过6个驱动器控制6个无刷直流电机运动；②机械臂控制模块，采用CAN通信协议控制机械臂；③相机云台控制和传感器B云台控制，采用485通信，基于pelco协议控制这两个二自由度的云台；④获取数据采集软件读取的传感器B和传感器A采集的剂量值和角度值，并反馈给上位机；⑤控制车体摄像机和机械臂摄像机实时采集现场图像；⑥根据采集的角度值和剂量值控制车体自主导航；⑦接收遥操作盒发送的控制指令，发送车体传感器的实时数据给遥操作盒。

遥操作盒部分采用C++语言编程，实现以下功能：①实时采集摇杆传送来的控制指令；②将摇杆或者点击触摸屏控制按钮的指令传递给车体控制器，实时接收车体控制器传来的数据，并实时显示分析。显示的数据包括实时采集的图像，传感器B剂量率、角度，传感器A剂量率、角度，车体的速度值，电池电压，等；③功能切换，自主导航和人工控制可切换。

5 性能测试

为了测试寻源机器人的性能，在非辐射条件下对机器人的控制性能进行测试。在中国计量院Cs-137辐射环境下对传感器A和传感器B的剂量率、角度进行了测试。

在非辐射环境下，分别对移动平台的力学性能、通信性能、续航能力、机械臂控制能力、云台控制能力、相机图像采集能力等方面进行了测试。测试结果为机器人最大速度为1 m/s；爬坡角度15°；无遮挡的情况下通信距离＞400 m；能够控制机械臂运动；能够控制云台做俯仰与旋转运动；相机可以实时抓取图像，且图像能在遥操作盒上显示；车体最大负重180 kg；电池巡航时间＞4 h。

在放射源环境下分别对传感器A和传感器B所测量的剂量率和角度值进行了4次试验。

传感器A剂量率试验时，传感器A参考箭头与实际放射源成180°，在实际值剂量率为0.4×10-7Gy/h环境下，传感器A所测的剂量率误差为8%；在剂量率为 0.4×10-7～9.34×10-2Gy/h 范围内随机选取 5 组数据，传感器A所测的剂量率误差均＜20%，故可以用于寻源机器人。

传感器A角度误差试验时，在放射剂量率为1×10-3Gy/h 和 1×10-6Gy/h 时，设置不同的角度（0～360°范围内），分别进行5次试验。试验结果如表1所示，角度误差均＜±13°，满足对放射源所处区域的粗定位。

表1 传感器A角度测量结果Tab.1 Sensor A angle measurement results

传感器B剂量率试验时，传感器B参考箭头与实际放射源成0°，在剂量率为4×10-5Gy/h环境下，传感器B剂量率误差为2.2%；在剂量率为4×10-5～3×10-2Gy/h范围内选取5组数据，传感器B剂量率误差均＜20%，故可以用于寻源机器人。

传感器B角度误差试验时，在放射剂量率为0.05，0.1，1×10-6Gy/h 下，设置不同的角度（±15°范围内），分别进行数次试验。试验数据如表2所示，结果表明，除临界角度为15°时角度测量误差为-5.87°，其他角度误差均＜2°，满足对放射源所处区域的精确定位。

表2 传感器B角度测量结果Tab.2 Sensor B angle measurement results

6 结语

针对伽马放射源丢失时的寻源需求，研制了一款基于进口寻源传感器的六轮移动寻源机器人。该机器人采用无线通信方式进行远程控制，通过摄像头可实时监控现场环境。基于传感器B和传感器A采集的数据，既可以实现对放射源的人工手动搜索，又可采用三角定位法实现自动寻源。有源环境和无源环境的试验结果表明，该寻源机器人可以用于放射源的搜寻。下一步将进行实地寻源试验以及机械臂抓取试验。该机器人研制成功后，可广泛用于放射源的搜寻以及核电站环境检测等，将大大减轻核辐射对放射性工作人员的伤害。

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