基于Arduino 平臺的核輻射偵測機器人電源管理與續航能力優化研究

張洋 ZHANG Yang

（南部戰區疾病預防控制中心，廣州 510630）

0 引言

隨著核技術的發展，核輻射偵測已經成為現代社會的重要議題。為了確保核設施的安全運行和避免對環境及人類健康的潛在威脅，開展精確的核輻射偵測工作至關重要。隨著技術的進步，機器人在核輻射偵測領域的應用逐漸受到重視，因其可以有效避免人員直接暴露在高劑量輻射環境下。但在實際應用中，如何確保機器人的持續工作時間、高效偵測和精確性仍是一個技術難題。

1 系統架構與電源需求

1.1 核輻射偵測機器人的組成部分與工作原理

核輻射偵測機器人是一個高度集成和自動化的系統，其核心組成部分包括：①輻射探測模塊，通常采用蓋革-彌勒（G-M）計數管，能夠準確檢測并轉換輻射劑量；②機械手臂和移動機構，負責在污染場地進行導航、采樣和其他互動任務；③數據通訊模塊，用于實時發送探測數據和接收控制指令；④電源管理模塊，確保各部件得到穩定的電源供應，同時優化續航能力。

其工作原理如下：當機器人進入指定區域時，G-M 計數管開始監測輻射強度，一旦檢測到超過預設閾值的輻射，機器人將采取相應的響應措施，如標記位置、采集樣本或發送警報，同時，所有檢測數據都會實時通過數據通訊模塊傳輸至遠程控制中心，使操作者能夠迅速了解現場狀況并做出決策。

1.2 Arduino 與各功能模塊的數據通信需求

Arduino，作為核輻射偵測機器人的中央控制單元，在數據通信方面扮演著至關重要的角色。首先，它必須與輻射探測模塊進行無間斷的數據交互，實時獲取輻射強度信息。其次，為了確保機械手臂的精確操作和機器人的靈活移動，Arduino 需要接收來自各種傳感器（如位置、角度和速度傳感器）的反饋信息，同時發送控制命令以調整機械手臂的動作和機器人的行進方向。此外，考慮到機器人可能在遠離操作者的區域工作，Arduino 需要與無線通信模塊進行數據通信，將探測結果、系統狀態和警報信息實時傳輸至遠程控制中心，同時接收并執行從控制中心發送的指令[1]。為滿足這些復雜的數據通信需求，Arduino 不僅要具備多個高速、高可靠性的串口和通信接口，還需在軟件層面進行精細的調度和優化，以確保數據的實時性、準確性和穩定性。

1.3 系統整體供電需求

在核輻射偵測機器人的設計中，系統整體供電需求是一個至關重要的考慮因子，因為它不僅影響到機器人的持續工作時間，還關系到各功能模塊的正常運行和數據處理速度。

主控制單元Arduino，作為整個系統的心臟，需要穩定且持續地電源來保證其無間斷運行?？紤]到其與各功能模塊的頻繁數據交互，供電穩定性對于保障數據準確傳輸和處理至關重要。

輻射探測模塊、機械手臂、傳感器等核心功能部件都有各自的電源需求。例如，輻射探測模塊在高劑量環境下可能需要更高的采樣率，從而增加能耗；機械手臂在執行復雜操作時，尤其是在采集樣本或應對突發情況時，可能會有瞬時的大電流需求。通訊模塊，尤其是無線傳輸部分，根據通訊距離和數據傳輸速率，也會產生不同的電源需求。在長距離或高速傳輸中，其電源消耗會相對增加?？紤]到機器人可能需要在惡劣、無人的環境中長時間工作，電池的容量和續航時間成為關鍵。不僅要選擇能夠滿足高能耗需求的電池，還需考慮電池的重量、體積和安全性，確保它不會因為過熱或其他原因影響機器人的正常運行。

2 輻射劑量檢測模塊與其校準

2.1 G-M 計數管的工作原理

G-M 計數管，即蓋革-穆勒計數管，是一種用于檢測和測量電離輻射的裝置。其工作原理如圖1 所示：當放射性粒子通過管中充滿的氣體時，這些粒子會電離周圍的氣體分子。G-M 計數管內部包含一個陽極和一個陰極，中間填充有低壓惰性氣體。當電離輻射進入該管并擊中氣體分子時，它會導致電子從氣體分子中剝離，形成陽離子和自由電子。由于管內有高電壓，這些自由電子將被迅速吸引到陽極，而陽離子則移向陰極。這種移動產生了一個可測量的電脈沖，該脈沖與經過計數管的輻射量成正比。然后，這些電脈沖可以由外部電子設備計數并轉化為輻射水平的可讀輸出。為了防止連續的放射性粒子引起連續的放電（即氣體持續電離），G-M 計數管使用特定的惰性氣體和添加物，這使得每一個電離事件后，管內迅速恢復到初始狀態，準備檢測下一個粒子。

圖1 G-M 計數管的工作原理

2.2 校準方法及其重要性

在輻射領域，校準通常涉及使用已知活度和能量的放射源對儀器進行標定。G-M 計數管的校準方法主要包括以下幾個步驟：第一步，選擇標準源。使用具有已知放射活度和特定能量的放射性標準源。第二步，測量背景輻射。在沒有標準源的情況下，先測量并記錄背景輻射。第三步，暴露于標準源。將G-M 計數管暴露于標準源下，并測量其計數。第四步，數據分析。從測量值中減去背景輻射，得到實際的計數。然后，與標準源的已知活度進行比較，以確定計數管的效率。第五步，確定校正因子。根據測量結果和標準源的活度確定一個校正因子。此后，該因子將用于修正實際測量值，使其更加準確。

校準在輻射測量領域扮演著至關重要的角色，尤其當涉及G-M 計數管這種設備時。首先，它是確保測量準確性的關鍵步驟，只有經過校準的設備，其測量值才能真實地反映實際的輻射水平。此外，為了滿足多數國家和組織的法規要求，定期進行輻射檢測設備的校準不僅是必要的，而且也是確保其準確性和可靠性的手段[2]。對于在輻射環境下工作的專業人員來說，知道其使用的設備已經經過正確的校準，可以增強他們的工作信心。更為重要的是，校準過程本身可能揭示設備的潛在缺陷或故障，這為提前識別并防止可能導致錯誤測量的問題提供了保障。

2.3 校正因子的確定方法

校正因子的確定是為了修正G-M 計數管的實際測量值與標準值之間的偏差，確保其測量結果的準確性。通常，這一過程首先涉及使用已知放射性活度的標準放射源對G-M 計數管進行照射，然后記錄計數管的響應。隨后，將這一響應與標準放射源的已知活度進行比較，從而得出實際測量值與應有測量值之間的差異。這個差異就是所需的校正因子。最后，實際操作時，使用該校正因子對G-M 計數管的測量結果進行調整，從而得到更接近真實放射性活度的測量值。

3 機械手臂的同步控制與采樣

3.1 機械手臂與操作人員手臂的同步控制原理

在核輻射偵測機器人系統中，實時的手臂同步控制是核心功能之一，其旨在實現遠距離操作人員能夠直觀、精確地控制機械手臂，模擬人類手臂的復雜動作，進而實現高效、安全的現場采樣。該同步控制的核心原理基于操作人員手上佩戴的手臂模型上安裝的加速度傳感器。這些傳感器可以實時感知手臂及手指在三個方向（x、y 和z 軸）上的移動加速度。

一旦手臂模型的位置或姿態發生變化，加速度傳感器便會捕獲這些變化，并通過算法將加速度數據轉化為對應的角度值，這個角度值可以反映出操作人員手臂的實際傾斜角度。這些角度數據接著通過Arduino 主板的無線傳輸模塊傳遞給機械手臂上的控制單元。在接收到這些數據后，機械手臂會通過預先編程的控制策略，驅動各個關節的舵機，使其旋轉到與操作人員手臂對應的角度，從而實現兩者的同步運動。

3.2 現場采樣的具體步驟與技術難點

現場采樣，作為核輻射偵測機器人的核心功能，涉及操作人員通過遠程的手臂模型來同步驅動機器人的機械手臂，確保準確無誤地獲取疑似有毒或有害的樣本。初步的操作包括機器人接近目標區域并利用實時視頻監控為操作人員提供清晰、低延遲的場景畫面。隨后，手臂進行精確定位并執行物質取樣，最終將樣本安全地存放于專用容器中。這一過程面臨眾多技術難點，如需保證機械手臂與操作手臂的高度同步性、視頻的高清晰度、針對不同樣本的采樣工具多樣性，以及樣本的安全處理[3]。此外，外部環境如風速、濕度等可能帶來的干擾也要被充分考慮和應對，確保整個采樣過程的安全性與準確性。

3.3 采樣過程中的數據通信與電源管理

在機器人的采樣過程中，數據通信和電源管理是兩大關鍵技術要點，確保了機器人的高效、持續且準確運作。

從數據通信角度看，如圖2 所示采樣過程中需要實時將機器人收集的信息，如視頻流、傳感器數據（溫度、濕度、輻射劑量率等）無縫地傳送至操作員的遙控終端。使用高帶寬、低延遲的無線通信協議能確保數據的實時傳輸，并支持高清視頻流的無滯后播放。此外，為了增強通信的穩定性，在機器人與控制端之間建立多通道傳輸和自動切換系統，確保在一個通道受到干擾或信號弱時，能自動切換至另一個更加穩定的通道。

圖2 數據通信過程

電源管理方面，由于機器人在采樣過程中要進行大量的數據處理和傳輸，因此會消耗大量電能。要確保機器人在整個任務期間持續工作，必須進行精細的電源管理。這包括：對每個功能模塊進行獨立的電源調配，確保在非工作狀態下降低功耗；實施動態電源調度策略，根據任務需求合理分配電源；以及引入節能算法，如在機器人靜止或等待指令時進入低功耗模式[4]。此外，考慮到采樣過程中可能的長時間任務，可以搭載更大容量或高效的電池，并考慮太陽能等替代能源作為備份或輔助電源。

4 系統的實際應用與有效性檢驗

4.1 使用放射源進行的實際測試場景

在某廢棄的核能研究設施中，核輻射偵測機器人進行了一次關鍵的實際應用測試。這個設施曾經是進行核燃料研究的前沿實驗室，但由于某些原因被廢棄了，其中殘留了多種放射性物質。由于這個設施的復雜性，傳統的手持輻射檢測方法難以全面覆蓋整個場地。因此，這次測試的主要目的是評估機器人在復雜環境中的性能和準確性。在測試中，機器人被部署進入設施的中心區域，這里預計含有最高的輻射強度。它開始自動地按照預設的路徑，穿越實驗室、長走廊和多個密閉的研究室。利用其高靈敏度的G-M 計數管，機器人持續地掃描其周圍環境，并實時傳輸數據。

4.2 各功能模塊的實際表現與問題發現

在核輻射偵測機器人的實際應用過程中，對于其各功能模塊的表現和潛在問題進行了深入地觀察和分析。首先，輻射劑量檢測模塊使用G-M 計數管在高強度放射區域展示了出色的準確性，但在低輻射場景中，電磁干擾導致了短暫的誤報。而視頻監測模塊為操作員提供了清晰、實時的圖像，優化了機器人的導航功能，但在特定的光照條件下，圖像質量存在局限性。此外，無線傳輸模塊在大多數場景中實現了穩定的數據傳輸，但在深層地下或特定的遮擋區域，出現了短暫的通信中斷，這可能要求對傳輸技術或硬件進行優化以適應更多的環境條件。與此同時，溫度和濕度測量模塊為核輻射偵測機器人提供了可靠的環境感知，但在高濕度環境下，濕度傳感器的反應速度有所降低，這暗示傳感器可能需要進一步的校準或技術改進。機械手臂模塊的表現則相對突出，與操作員的同步性達到了較高水平，但在執行某些復雜動作時，出現了輕微的滯后，這指出了對于同步算法或硬件響應速度的潛在優化空間。紅外測距模塊在絕大多數情況下為機器人提供了準確的距離信息，但面對透明或高反光表面時偶爾失準，這也許意味著需要對傳感器進行更高級的校準或引入其他類型的測距技術。

4.3 實驗結果與數據分析

從表1 所示的數據中，可以觀察到隨著時間的推移，劑量率逐漸增加，這可能表明機器人逐漸靠近放射源。此外，可以注意到，盡管放射強度增加，但溫度變化較小，僅增加了0.7℃，而濕度的增加也不明顯。這表明機器人的環境傳感器可以有效地分離和測量各種參數，而不會受到其他變量的影響。

表1 實驗結果數據

此外，機械手臂的位置數據顯示，隨著時間的推移，機械手臂逐漸從初始位置轉動到60°。這可能是由操作人員引導機械手臂接近放射源進行采樣所導致的。其連續的變化也表示數據傳輸和同步控制機制工作得很好，確保了機械手臂的平穩運動。

5 結語

隨著核技術的應用與核輻射事故的潛在風險，核輻射偵測技術在安全監測、環境評估和事故應對中的重要性日益凸顯?；贏rduino 的核輻射偵測機器人不僅技術上實現了創新，更在實際應用中展現了其巨大的潛力和價值。對于未來的研究，除了進一步優化機器人的性能，還應考慮如何使其在更廣泛、更復雜的環境中發揮作用，以滿足日益嚴峻的核安全挑戰。