搜尋放射源機器人系統的設計

姜明明，趙永國，劉成業，孫 潔，朱 琳

（山東省科學院自動化研究所 山東省機器人與制造自動化技術重點試驗室，濟南250014）

放射源在工業、農業、醫療、同位素儀表和科學研究等領域[1]已得到廣泛的應用。然而放射源丟失事件卻時有發生，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。使用搜尋放射源機器人，不需要人員到丟失現場進行搜尋，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]機器人以及日本的Quince[5]機器人在福島核電站事故[6]中參加了救援工作，然而這些機器人并非專用的放射源搜索的機器人。國內東南大學[7]研制出了遙控防化機器人，哈爾濱工業大學[8-9]對尋源算法進行了研究，這兩項研究均采用單個尋源傳感器，尋源算法復雜。

在此，設計了一種搜尋放射源的機器人，采用了核尋源傳感器A和傳感器B對放射源進行定位，尋源算法簡單，穩定性高。操作盒構成的規劃級和車載端構成的控制級，實現了放射源自動搜索定位的功能，且定位精確，系統穩定可靠。

1 搜尋放射源機器人系統

搜尋放射源機器人，主要由操作盒構成的規劃級、車體機器人組成的控制級以及尋源傳感器系統三部分組成。操作盒和車體之間采用無線網絡和485數傳電臺進行通信。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構Fig.1 System architecture

如圖所示，遙操作盒發送控制指令給車體工控機，進而控制車體、機械臂、相機云臺、傳感器B云臺運動，同時顯示車體部分反饋的實時圖像、車體運行的速度、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，并控制相關設備執行對應的動作，同時將傳感器采集的信息反饋給操作盒。

1.1 規劃級操作盒

由操作盒構成的規劃級，是整個系統的指令發送和信息采集處理的總終端。控制級收到規劃級的控制指令后，才執行各種動作。操作盒的結構如圖2所示。

圖2 操作盒結構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，作為規劃級的輸入設備；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數傳模塊天線。盒體內部裝有四維鍵盤控制板。四維鍵盤是規劃級的輸入設備，通過配置其地址，可以選擇控制車體運動、云臺運動、機械臂運動等。

1.2 控制級車體

搜尋放射源機器人控制級的結構如圖3所示。控制級主要由六輪六驅動移動平臺、六自由度機械臂、監控云臺、控制箱組成。其中，控制箱裝有工控機、供電模塊、網絡通信模塊、485數傳模塊和通信轉換接口等。

圖3 搜尋放射源機器人結構示意Fig.3 Structure of robot for locating gamma radiation source

如圖所示，機器人殼體的內壁防護材料為1 cm鉛板。監控云臺可以控制攝像機360°旋轉，上下0°～180°運動?？刂葡渲?，核心控制模塊為工控機，主要通過無線通信接收操作盒的控制指令，進而控制車體、機械臂、云臺的運動。工控機將核尋源傳感器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動。機械臂由六自由度關節機機械臂和抓手組成。六驅動移動平臺主要由6個輪轂電機、6個驅動器和碳鋼車體組成。

1.3 尋源傳感器系統

尋源傳感器系統，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據采集軟件組成，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°，當輻射劑量＜10 μGy/h 時，角度測量誤差為±30°；當輻射劑量＞10 μGy/h時，角度測量誤差為±5°。 在放射源未知或者劑量率較小時，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，同時將傳感器B和傳感器A采集的信息通過網絡發送給車體工控機上的數據采集軟件。

數據采集軟件是尋源傳感器系統的核心，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

核防護是搜尋放射源機器人與普通機器人的重要區別。核輻射會影響其電子設備、相機等的正常工作。目前的核輻射防護一般有4種方法[10]：屏蔽防護；時間防護；距離防護；個人衛生防護。本設計主要采用屏蔽防護。車體部分采用1 cm鉛板附掛在其外殼內側；工控機、無線通信模塊等設備由壁厚為4 cm的鉛盒單獨封存；攝像頭采用鉛玻璃防護。

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點時，打開數據采集軟件上的傳感器A的“開始”按鈕，讀取當前劑量率數值和∠A度數α；車體運動到B點時，讀取當前劑量率數值和∠B度數β。線段AB的距離l可以通過車體的速度和運行時間求得，故為已知。已知三角形的兩角和一邊，根據三角形相關定理，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，車體運動到D點，沿線段DC運動到CD的中點H點。在H點所在的直線EF上，隨機選取2點如E點和F點，重復上一步的流程，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運動到CH的中點處，重復以上步驟。

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

4 軟件設計

搜尋放射源機器人軟件設計，主要包括車體部分軟件設計和遙操作盒部分軟件設計。

車體部分軟件設計基于C++編程語言實現七大功能模塊的功能：①移動平臺電機控制模塊，基于485通信，通過6個驅動器控制6個無刷直流電機運動；②機械臂控制模塊，采用CAN通信協議控制機械臂；③相機云臺控制和傳感器B云臺控制，采用485通信，基于pelco協議控制這兩個二自由度的云臺；④獲取數據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；⑤控制車體攝像機和機械臂攝像機實時采集現場圖像；⑥根據采集的角度值和劑量值控制車體自主導航；⑦接收遙操作盒發送的控制指令，發送車體傳感器的實時數據給遙操作盒。

遙操作盒部分采用C++語言編程，實現以下功能：①實時采集搖桿傳送來的控制指令；②將搖桿或者點擊觸摸屏控制按鈕的指令傳遞給車體控制器，實時接收車體控制器傳來的數據，并實時顯示分析。顯示的數據包括實時采集的圖像，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，自主導航和人工控制可切換。

5 性能測試

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

在非輻射環境下，分別對移動平臺的力學性能、通信性能、續航能力、機械臂控制能力、云臺控制能力、相機圖像采集能力等方面進行了測試。測試結果為機器人最大速度為1 m/s；爬坡角度15°；無遮擋的情況下通信距離＞400 m；能夠控制機械臂運動；能夠控制云臺做俯仰與旋轉運動；相機可以實時抓取圖像，且圖像能在遙操作盒上顯示；車體最大負重180 kg；電池巡航時間＞4 h。

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

傳感器A劑量率試驗時，傳感器A參考箭頭與實際放射源成180°，在實際值劑量率為0.4×10-7Gy/h環境下，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 范圍內隨機選取 5 組數據，傳感器A所測的劑量率誤差均＜20%，故可以用于尋源機器人。

傳感器A角度誤差試驗時，在放射劑量率為1×10-3Gy/h 和 1×10-6Gy/h 時，設置不同的角度（0～360°范圍內），分別進行5次試驗。試驗結果如表1所示，角度誤差均＜±13°，滿足對放射源所處區域的粗定位。

表1 傳感器A角度測量結果Tab.1 Sensor A angle measurement results

傳感器B劑量率試驗時，傳感器B參考箭頭與實際放射源成0°，在劑量率為4×10-5Gy/h環境下，傳感器B劑量率誤差為2.2%；在劑量率為4×10-5～3×10-2Gy/h范圍內選取5組數據，傳感器B劑量率誤差均＜20%，故可以用于尋源機器人。

傳感器B角度誤差試驗時，在放射劑量率為0.05，0.1，1×10-6Gy/h 下，設置不同的角度（±15°范圍內），分別進行數次試驗。試驗數據如表2所示，結果表明，除臨界角度為15°時角度測量誤差為-5.87°，其他角度誤差均＜2°，滿足對放射源所處區域的精確定位。

表2 傳感器B角度測量結果Tab.2 Sensor B angle measurement results

6 結語

針對伽馬放射源丟失時的尋源需求，研制了一款基于進口尋源傳感器的六輪移動尋源機器人。該機器人采用無線通信方式進行遠程控制，通過攝像頭可實時監控現場環境?；趥鞲衅鰾和傳感器A采集的數據，既可以實現對放射源的人工手動搜索，又可采用三角定位法實現自動尋源。有源環境和無源環境的試驗結果表明，該尋源機器人可以用于放射源的搜尋。下一步將進行實地尋源試驗以及機械臂抓取試驗。該機器人研制成功后，可廣泛用于放射源的搜尋以及核電站環境檢測等，將大大減輕核輻射對放射性工作人員的傷害。

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