全自动氚表面污染巡测系统的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种在环境检测情况下使用的装置。更具体地说，本实用新型涉及一种用在环境污染情况下的全自动氚表面污染巡测系统。


背景技术：

[0002]
随着氚在军、民领域的广泛应用，涉氚场所随之增加，氚表面污染测量需求增大。现有的氚表面污染测量方式是：工作人员手持氚表面污染测量仪根据工作经验选择测量点位并逐点测量，重复劳动强度大，时效性差，工作人员在高放区域可能受到意外照射的风险增加，其原因在于通常这些场景下，并不允许使用无线通信或gps进行通信定位，而在这种场景下，现有技术中的机器人定位方式无法满足使用需要。
[0003]
对于一个具体的监测场景来说，通过每个季度需要监测多个房间和多条走廊共数百点位的氚表面污染，每个点位监测过程需要两名工作人员(一人手持仪器弯腰在目标点位进行监测并读数，另一人填写原始记录并标注点位)，平均每个点位的测量时间为5min，计数完成之后再提起仪器并移动到下一监测点位，工作内容重复，每季度监测一次，每次监测耗时大约四天。随着涉氚项目的快速增加，依靠人工监测的方式已完全不能满足现有的监测需求。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0005]
为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种全自动氚表面污染巡测系统，包括：
[0006]
巡检机器人；
[0007]
与巡检机器人通过线缆进行通信连接的控制终端，其上设置有显示模块；
[0008]
其中，所述巡检机器人被配置为包括：
[0009]
车体，其底部相对设置有至少两组用于行走的麦克纳姆轮组；
[0010]
设置在车体上并与控制终端通信连接的驱动控制器，其被配置为分别与流量控制模块、探测模块、车体状态信息采集模块、存储模块通信连接。
[0011]
优选的是，所述驱动控制器被配置为包括：
[0012]
驱动控制板，其被配置为包括设置在控制主板上且通信连接的第一dsp 芯片以及fpga芯片；
[0013]
与驱动控制板通信连接，以及与麦克纳姆轮组电性连接的伺服驱动器；
[0014]
其中，所述第一dsp芯片与fpga芯片通过地址数据总线进行连接；
[0015]
所述fpga芯片通过da转换电路与伺服驱动器连接；
[0016]
所述fpga芯片通过相配合的两个第一rs232转换接口分别与流量控制模块、车体状态信息采集模块通信连接；
[0017]
所述fpga芯片通过ssi转换接口、第一i/o接口、第二rs232转换接口、第一rs422接口与控制终端通信连接；
[0018]
所述第一dsp芯片通过相配合的第三rs322转换接口与伺服驱动器上的伺服调试接口通信连接。
[0019]
优选的是，所述流量控制模块被配置为采用与fpga芯片通信连接，以对探测模块气体通断情况进行切换的流量控制器；
[0020]
所述探测模块被配置为采用流气式正比计数器；
[0021]
所述存储模块被配置为采用与第一dsp芯片通信连接的flash闪存。
[0022]
优选的是，车体状态信息采集模块被配置为包括：
[0023]
用于获取车体方向方向信息的方位角度传感器，
[0024]
用于获取车体速度信息的速度传感器，
[0025]
优选的是，所述控制终端被配置为包括：
[0026]
设置在主板上的第二dsp芯片，其通过并行接口与显示模块通信连接；
[0027]
设置在封闭壳体上的按键，其通过相配合的第二i/o接口与第二dsp芯片通信连接；
[0028]
其中，所述第二dsp芯片通过相配合的第二rs422接口与驱动控制板通信连接。
[0029]
优选的是，所述车体还包括与各麦克纳姆轮组相配合的车架，其上设置有对驱动控制器进行限定的安装槽；
[0030]
所述探测模块通过相配合的安装件设置在车架一侧，所述安装件上设置有滑槽，所述探测模块上设置有与滑槽相配合的滑块，所述安装在滑槽相配合的一端设置有与探测模块相连接的伸缩机构。
[0031]
本实用新型至少包括以下有益效果：其一，本实用新型针对急剧增加的氚表面污染监测需求，设计加工了全自动氚表面污染巡测机器人，该机器人具备手动和自动测量模式，可记忆氚表面污染测量点位，并读取历史测量轨迹(点位)，进行全自动巡测。
[0032]
其二，本实用新型参考扫地机器人的工作模式，结合氚表面污染测量的实际需求和现有氚监测仪器的使用开发经验，采用模块化集成设计，分模块实现独立功能，各模块集成得到氚表面污染巡测机器人工程样机，实现了氚表面污染的自动化测量，提升了氚表面污染监测的时效性，为工作人员的辐射安全提供保障，为后续产品化升级改造提供了参考经验，同时开拓了未来发展的前景。
[0033]
其三，本实用新型设计的控制终端与驱动控制器的配合连接方式，使得其可应用于不能使用无线通信或gps进行数据定位的场合下。
[0034]
本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0035]
图1为本实用新型中全自动氚表面污染巡测系统的结构示意图；
[0036]
图2为本实用新型中驱动控制板的原理框图；
[0037]
图3为本实用新型中控制终端的原理框图；
[0038]
图4为本实用新型巡测机器人的工作流程图；
[0039]
图5为本实用新型中驱动控制板的算法处理流程图；
[0040]
图6为本实用新型中流量器与驱动控制板配合的原理框图；
[0041]
图7为本实用新型中的气体流量控制器的算法流程图；
[0042]
图8为本实用新型中控制终端的模块程序处理流程图；
[0043]
图9为本实用新型中数据采集的设计流程图；
[0044]
图10为本实用新型中数据回话的设计流程图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0046]
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0047]
需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0048]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0049]
图1、2、6示出了根据本实用新型的一种全自动氚表面污染巡测系统的实现形式，包括：
[0050]
巡检机器人1，巡测机器人尺寸为：长36cm
×
宽30cm
×
高26cm，重量＜15kg；
[0051]
与巡检机器人通过线缆进行通信连接的控制终端2，其上设置有显示模块(显示器)3，控制终端用于操作人员输入相关操作信息，对于操作模式进行选择，且在人工模式下通过控制终端对车体的行进方向进行操作，显示模块主要为信息显示屏幕，在不同的操作模式下，进行相应的数据显示。在“手动控制”模式，显示巡测机器人在控制终端下的运动状态；在“全自动测量”模式，显示当前测量状态等信息；
[0052]
其中，所述巡检机器人被配置为包括：
[0053]
车体4，其底部相对设置有至少两组用于行走的麦克纳姆轮组5，在这种结构中，车体采用铝合金材料和钣金件构成，结构坚固重量轻，车轮选用在航母上移动物资的麦克纳姆轮，可通过四轮独立旋转形成任意方向的合力，实现小车的全向移动；
[0054]
设置在车体上并与控制终端通信连接的驱动控制器(板)6，驱动控制板外部通过相配合的箱体7进行封装，在特殊的运用场景下，箱体上可设置相配合的usb接口，以满足不能采用无线通信或gps通信的场景下，故驱动控制板是整个巡测机器人的控制核心，其主要功能是接收控制终端下发的命令，控制巡测机器人运动和探测器升降以及系统启停等，其被配置为分别与流量控制模块(流量控制器)8、探测模块(探测器)9、车体状态信息采集模块 10、存储模块11通信连接，其与各模块进行通信连接，以在运行时对其工作状态进行控
制或切换，在这种方案中，探测模块的工作原理参考现有的氚表面污染监测仪的设计，将其探头部分模块化设计加工，并集成到巡测机器人，在这种方案中，控制终端类似有线的手柄控制器，其与驱动控制器的配合实现行进或作相关的执行操作(摇控玩具车或扫地机器人)属于现有技术，但因在特定场合下，无法采用gps进行定位或无线传略，二者的数据通信采用连接线缆进行，在此不再叙述。
[0055]
如图2所示，在另一种实例中，所述驱动控制器被配置为包括：
[0056]
驱动控制板，其被配置为包括设置在控制主板上且通信连接的第一dsp 芯片12以及fpga芯片13，其上还设置有相配合用以提供工作电源的dc/dc 模块14；
[0057]
与驱动控制板通信连接，以及与麦克纳姆轮组电性连接的伺服驱动器(伺服驱动板或小车控制板)15，其用于接收命令对车体的行进进行精确控制，用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位；
[0058]
其中，所述第一dsp芯片与fpga芯片通过地址数据总线进行连接；
[0059]
所述fpga芯片通过da转换电路16与伺服驱动器连接；
[0060]
所述fpga芯片通过相配合的两个第一rs232转换接口17分别与流量控制模块、车体状态信息采集模块通信连接；
[0061]
所述fpga芯片通过ssi转换接口18、第一i/o接口19、第二rs232转换接口20、第一rs422接口21与控制终端通信连接；
[0062]
所述第一dsp芯片通过相配合的第三rs322转换接口22与伺服驱动器上的伺服调试接口通信连接，在这种结构中，驱动控制板采用dsp+fpga的方式，通过一系列接口实现与各模块的数据通信，进而实现控制终端和驱动电机等的数据采集及控制等功能，其原理如图2所示。
[0063]
如图6，在另一种实例中，所述流量控制模块被配置为采用与fpga芯片通信连接，以对探测模块气体通断情况进行切换的流量控制器(流量器或流量计)8；
[0064]
所述探测模块被配置为采用流气式正比计数器，其用于通过探测器对污染环境的氚污染进行检测，该探测器的结构以及工作流程可参考专利申请号为：cn200610021396.3，专利名称为氚表面污染监测仪和氚表面污染监测方法，故再此不再叙述；
[0065]
所述存储模块被配置为采用与第一dsp芯片通信连接的flash闪存11，其作用在于对污染检测数据以及手工操作模式下的检测点定位数据进行存储，以供后期进行使用。
[0066]
在另一种实例中，车体状态信息采集模块被配置为包括：
[0067]
用于获取车体方向方向信息的方位角度传感器，
[0068]
用于获取车体速度信息的高精度速度传感器，
[0069]
在这种结构中，通过各传感器、编码器对车体工作过程中的距离、方位以及速度信息进行获取。
[0070]
如图3，在另一种实例中，所述控制终端被配置为包括：
[0071]
设置在主板上的第二dsp芯片23，其通过并行接口与显示模块通信连接，其用于接收相关的按键输入信息，并将该信号转输出至驱动控制器或伺服控制器进行相关操作；
[0072]
设置在封闭壳体上的按键，其通过相配合的第二i/o接口24与第二dsp 芯片通信
连接；
[0073]
其中，所述第二dsp芯片通过相配合的第二rs422 25接口与驱动控制板通信连接，在这种结构中，控制终端的核心是dsp芯片，设计为不同的功能模块，通过并口、io和rs422等多种通讯方式与显示屏、按键26和控制板通讯实现巡测机器人的功能控制，其电路如图8所示，其功能模块如图9，所示，而为了保证其使用效果，其上设置有相配合的dc/dc电源模块27，在这种结构中，可以通过按键对对车体的运动进行控制，以及输入相关污染数据进行输入，或者对模式进行选择，以满足不同的使用需要。
[0074]
如图1，在另一种实例中，所述车体还包括与各麦克纳姆轮组相配合的车架28，其上设置有对驱动控制器进行限定的安装槽(未示出)；
[0075]
所述探测模块通过相配合的安装件29设置在车架一侧，所述安装件上设置有滑槽30，所述探测模块上设置有与滑槽相配合的滑块31，所述安装在滑槽相配合的一端设置有与探测模块相连接的伸缩机构32，在这种结构中，通过车架上的安装槽对驱动控制器进行限定，进而保证其运行中设备的稳定性，防止其在运行过程中震动对设备造成的影响，并可以通过安装槽中设计相配合的柔性层对驱动控制器进行减震，而安装件可以根据需要设置成板状或t 字形结构，而伸缩机构可以是电机与丝杆套筒配合的方式，也可以上气缸的伸缩推动，而滑槽与滑块的配合，使得探测器与车架的配合稳定性更好，滑动伸缩性更好。
[0076]
一种应用全自动氚表面污染巡测系统进行巡检的方法，包括：
[0077]
s1，设置手动检测模式，设定初始检测点，操作人员通过人工操作的方式控制巡检机器人行进开始巡检操作；
[0078]
s2，操作人员通过操作控制终端对每一个巡检点的氚表面污染进行遍历式检测，并将与各巡检点相关的巡检数据以及位置参数进行存储，形成待测区域的轨迹式巡检表；
[0079]
s3，设置自动巡检模式，巡检机器人调用巡检表，对已知测量区域进行自动全场测量，在这个过程中，驱动控制板接收控制终端下发的自动巡航测量指令，该模式是读取手动检测模式下，通过数据采集得到并保存的巡检相关的文件数据信息，再自动控制车体的运行轨迹、探头的升降以及污染源的进行全场自动测量，不需要人的干预和操作，而巡测机器人的工作流程，打开电源，操控终端控制器，根据实验场所进行流量参数设置，然后选择测量手动或自动模式，若选择“否”，则转为手动模式，工作人员操作终端控制器，进行巡点测量，终端显示测量结果并选择是否存储测量规迹。选择自动模式，调取原存储规迹，巡测机器人自动进行全场所测量和数据显示和存储，工作流程如图4所示，驱动控制板接收控制终端下发的自动巡航测量指令，该模式是读取数据采集模式下，保存的文件数据信息，再自动控制车体的运行轨迹、探头的升降以及污染源的测量，不需要人的干预和操作。
[0080]
在另一种实例中，在s1中，其操作步骤被配置为包括：
[0081]
s11、在初始检测点，控制终端通过按键选择手动操作模式后，向驱动控制板下发数据采集指令；
[0082]
s12、操作人员通过控制终端控制车体前进、后退、向左、向右操作，以行进到巡检点，在这种模式下，驱动控制板接收控制终端下发的手动控制指令，在该模式下，完全处于操作人员控制车体，由操作人员控制车体的前进、后退、向左、向右等操作，到指定点进行测量；
[0083]
s13、驱动控制板每间隔预定时间，通过车体状态信息采集模块采集一次车轮当前
的方位、车轮速度、加速度以及行驶的时间信息，以得到手动操作模式下，机器人行驶到下一个巡检点过程中，与车体运动轨迹相对应的位置参数信息，在这种方案中，驱动控制板接收控制终端下发的数据采集控制指令，驱动控制程序记录当前车的状态信息，开始以100毫秒的时间间隔采集车轮的方位、车轮速度、加速度距离、以及车行驶的时间信息，在控制探头的时候，采集控制终端下发的控制命令，将这些信息全部存入文件，其中车体状态信息采集模块的数据采集、数据回放流程如图9、10所示；
[0084]
在s2中，各所述巡检点的检测步骤被配置为包括：
[0085]
s21、在到达一个巡检点后，操作人员通过控制终端向驱动控制板下发探测信号；
[0086]
s22、驱动控制板在接收到探测信号后，驱动控制板将位置参数信息存储在flash的巡检表中，所述巡检表中的相关参数信息如下表所示：
[0087]
序号时间方位速度加速度距离气量控制命令
[0088]
s23、驱动控制板向伸缩机构发送第一驱动信号，使探测器下行至预定位置，对巡检点进行氚表面污染检测，同时通过流量计对检测气体的流量值进行检测，以在流量值满足要求后，通过驱动控制板切断检测气体，通过控制流量计的开关实现探测器气体的通断，既能实现氚表面污染的测量，又能节约工作气体，延长巡测机器人的单次工作时间(单次工作可以测量)，其流量控制器与驱动控制板配合的原理图如6所示，气体流量的控制程序算法如图7所示；
[0089]
s24、探测器将检测到的氚表面污染数据回传至驱动控制板，驱动控制板向伸缩机构发送第二驱动信号将探测器收回，并将污染数据存储在flash的数据库中；
[0090]
s25、控制终端的显示模块向操作人员输出是否完成巡检选择，如操作人员选择是，则轨迹式的巡检表建立完成，否则返回至s12对下一个巡检点进行检测；
[0091]
在s3中，巡检机器人的全场自动检测步骤被配置为包括：
[0092]
s31、驱动控制板在接收到控制终端下发的自动巡检命令后，使车体状态信息采集模块处于工作状态，对车体当前的距离、速度、加速度以及车轮方向相关的运动位置信息进行实时检测；
[0093]
s32、驱动控制板基于检测到的运动位置信息，以及从flash中巡检表中调用的位置数据信息，通过卡尔曼滤波算法对其进行滤波处理，以更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值，进而在行进过程中对当前小车的位置进行实时纠正，减小其与巡检表中真值的误差，到达下一步巡检点，在这个过程中，在第一次采集机器人的巡航轨迹后，结合机器人小车当前状态信息(距离、车轮方向、速度、加速度)信息，通过卡尔曼滤波算法进行滤波处理，实时纠正当前小车的位置，减小与真值的误差。卡尔曼滤波是以最小均方误差为估计的最佳准则，来寻求一套递推估计的算法，具有使离散数据滤波递归的特性。其基本思想是：采用小车的状态空间模型，利用记录的机器人小车状态数据和当前时刻的机器人小车的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值，而本方案是采用离散卡尔曼滤波，现设离散状态方程和观测方程为：
[0094]
x(k)＝f(k，k-1)*x(k-1)+t(k，k-1)*u(k-1)
[0095]
y(k)＝h(k)*x(k)+n(k)
[0096]
其中，x(k)和y(k)分别是k时刻的状态矢量和观测矢量f(k，k-1)为状态转移矩阵，u(k)为k时刻动态误差噪声，t(k，k-1)为系统控制矩阵，x(k-1)为 k-1时刻的状态矢量，h
(k)为k时刻观测矩阵，n(k)为k时刻观察误差，
[0097]
x(k)是k时刻的状态矢量，x(k)包含小车的状态参数，即 x(k)＝[x(k)，vx(k)，y(k)，vy(k)]，x(k)，y(k)代表小车的在运动平面的二维位置，vx(k)， vy(k)代表小车在运动平面的二维速度；f(k，k-1)为状态的转移矩阵，代表小车从k-1时刻到k时刻的状态的变化，此处假定小车为匀速运动状态，在f(k) 为匀速运动模型，则
[0098]
其中δt等于采样时间0.1秒；
[0099]
t(k，k-1)为系统控制矩阵，通过控制小车的加速度，即u(k-1)来实现对小车运动的控制，因此，
[0100][0101]
而u(k-1)＝[ax(k-1)，ay(k-1)]，即，小车在运动平面的二维加速度，实际来自于小车中的动力驱动装置。
[0102]
y(k)分别是k时刻的观测矢量，即通过传感器实际获得的小车真实位置、速度等参数，h(k)为观测矩阵，仅仅是数学运算矩阵，n(k)代表观测噪声，即通过传感器获取小车真实位置、速度时的误差。
[0103]
卡尔曼滤波的算法流程为：
[0104]
步骤1：状态一步预测，即：
[0105]
x(k|k-1)＝f(k，k-1)*x(k-1)
[0106]
通过时间间隔和匀速运动模型，从已知的小车在k-1时刻的状态(位置、速度)，预计小车在k时刻的状态(位置、速度)；
[0107]
步骤2：协方差的一步预测，即：
[0108]
p(k|k-1)＝f(k，k-1)*p(k-1)*f
′
(k，k-1)+ t(k，k-1)*u(k)*t
′
(k，k-1)
[0109]
对小车的模型误差进行更新；
[0110]
步骤3：新息的协方差，即：
[0111]
s(k)＝h(k)*p(k|k-1)*h
′
(k)+n(k)
[0112]
综合小车运动的模型误差和观测误差；
[0113]
步骤4：计算卡尔曼增益，即：
[0114]
k(k)＝p(k|k-1)*h
′
(k)*inv(s(k))
[0115]
通过小车运动的模型误差和观测误差，获得调节系数；
[0116]
步骤6：状态估计，即：
[0117]
x(k)＝x(k|k-1)+k(k)*[y(k)-h(k)*x(k|k-1)]
[0118]
通过小车的预测位置和观测位置，综合估计小车的真实位置；
[0119]
步骤7：状态协方差更新，即：
[0120]
p(k)＝[i-k(k)h(k)]*p(k|k-1)*[i+k(k)h(k)]
′-
k(k)* n(k)*k(k)
[0121]
更新小车的估计位置的误差。
[0122]
步骤8：重复步骤一至七，控制小车位置及运动状态。
[0123]
s33，驱动控制板在到达巡检点后，控制探头升降对污染源的氚表面污染进行测量，并在测量后对污染数据进行存储；
[0124]
s34，采用遍历的方式对巡检表中的点位进行测量，以在完成一次遍历后判断其巡检完成，否则返回至s32中，在这种方案中，驱动控制板接收控制终端下发的控制命令，驱动小车电机按照指定的指令进行运动，同时，根据存储芯片存储的路径信息，可自动进行路径巡测功能。驱动控制程序共三种模式，第一是手动控制车体测量；第二是自动巡航测量；第三是手动初始数据采集，其程序流程如图5所示。
[0125]
实施例：
[0126]
1、手动控制模式
[0127]
在手动控制模式下，巡测机器人根据工作人员从控制终端输入的指令执行前进后退等动作，并根据设定的测量流程按顺序执行探头下降、放气、测量、显示和存储数据、关气、探头上升等动作，在此过程中巡测机器人保存测量轨迹。
[0128]
2、自动巡测模式
[0129]
通过控制终端设置为自动模式，巡测机器人根据记录的测量轨迹在控制区操作间进行全自动测量，测量完毕后，自动返回起点。自动巡测模式如图4所示。
[0130]
3、应用效果
[0131]
在实际应用过程中，原本需要两人四天的工作量，巡测机器人只需一天即可完成，大大提升了工作效率，人工测量和巡测机器人测量效率具体的对比情况如下表所示：
[0132][0133]
巡测机器人目前已应用于现场氚表面污染监测，与原来的监测方式相比较：
[0134]
1)采用巡测机器人，避免了工作人员长时间在高放射性场所工作，受到辐照损伤的风险，保障了工作人员的辐射安全；
[0135]
2)人工测量时，需要根据经验寻找测量点位；巡测机器人可自动记忆并读取测量点位轨迹，被测量点位识别更精准，不同工况下测量数据更具有对比性；
[0136]
3)采用全自动巡测模式，可以不间断运行，提升监测效率，节省监测时间，提高了
监测结果的时效性；
[0137]
4)为涉及大量氚表面污染监测的场所的自动巡测推广，奠定了良好的基础。为后续相似探测设备的巡测设计和研发，起到一定的借鉴作用。
[0138]
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
[0139]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0140]
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。