一种面向室内的失控放射源自主搜寻机器人及其搜寻方法与流程

本发明涉及机器人搜寻领域，尤其涉及一种面向室内的失控放射源自主搜寻机器人及其搜寻方法。

背景技术：

自21世纪以来，无论是国际还是国内，核工业与核技术都得到巨大发展。与此同时，放射源也被广泛应用于医疗、工业探伤、农作物育种等生产生活的各个方面，为人们的生产生活提供了巨大的帮助。然而，由于管理不善、人为盗窃等原因，放射源丢失事故时有发生。例如2003年金昌市、2005年邢台市、2014年南京市均发生过不同程度的放射源丢失事件。对于失控的放射源，目前仍采用技术人员携探测仪器人工搜寻或遥控机器人搜寻的方式，不仅效率不高，而且放射源搜寻人员极易受到辐照伤害。

针对诸如此类的问题，自主探寻并处置失控放射源的智能机器人开始受到研究人员的关注。2018年3月，西南科技大学张华等人提出了一种基于异构机器人的放射物搜寻系统及方法(西南科技大学.一种基于异构机器人的放射物搜寻系统及方法:cn201810255940.3[p].2018-09-25.)。该系统利用多旋翼飞行器与陆地机器人配合，能够快速有效的探寻到失控放射源的位置并做出处置措施。但同时，该系统也存在一些不可避免的问题。例如，对于可能散落在室内的放射源，多旋翼飞行器难以进入现场进行搜寻，而受到墙壁等物体的隔离作用，当无人机在室外配合陆地机器人进行探寻时不能够准确定位放射源所在的位置；利用gps定位设备对系统内的多旋翼飞行器及陆地机器人进行定位，定位精度不高。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的不足之处，本发明公开一种面向室内的失控放射源自主搜寻机器人，该机器人利用机器人技术，能够在室内环境中灵活、快速地运动，并且探测自身周边环境的障碍物信息、图像信息以及辐射剂量信息，准确搜寻出可能散落在室内各个位置的放射源，使工作人员避免了直接进行放射源搜寻的过程，降低了放射源搜寻人员受到辐射伤害的可能性，进一步保障了人们生产生活的安全性。

本发明的另一目的在于：提供一种面向室内的失控放射源自主搜寻机器人的搜寻方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现：

一种面向室内的失控放射源自主搜寻机器人，包括机械部分、探测部分、控制部分以及数据存储部分；所述机械部分具体包括运动机构、驱动机构和设备搭载平台；所述探测部分具体包括激光测距单元、辐射剂量探测单元、摄像单元和超宽带定位单元；所述控制部分具体包括电源、主控单元和无线通讯单元；所述数据存储部分具体包括数据存储单元；

所述运动机构分别与驱动机构及设备搭载平台连接；

所述电源分别与驱动机构、激光测距单元、辐射剂量探测单元、摄像单元、超宽带定位单元、主控单元、无线通讯单元以及数据存储单元连接；

所述主控单元分别与电源、激光测距单元、辐射剂量探测单元、摄像单元、超宽带定位单元、无线通讯单元以及数据存储单元连接；

所述运动机构具体包括轮子以及依靠轮子支撑的底盘，通过驱动机构的驱动，实现机器人的前进、后退以及转向；

所述驱动机构接收主控单元发出的指令，用于驱动运动机构做出动作；

所述设备搭载平台固定在运动机构的底盘上，包含上、下两层，每一层均被划分为9块区域，每层的9块区域大小可根据所搭载仪器设备尺寸进行调整确定，用于搭载各种仪器设备；设备搭载平台上层9块区域按左前、正前、右前、左侧、中间、右侧、左后、正后、右后的位置顺序分别编号：u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7、u8、u9；设备搭载平台下层的9块区域按左前、正前、右前、左侧、中间、右侧、左后、正后、右后的位置顺序分别编号：d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9；

所述激光测距单元用于实时探测机器人自身与障碍物以及墙壁之间的距离，并且将探测到的信息实时传输到主控单元；

所述辐射剂量探测单元用于探测待搜寻区域内的辐射剂量率以及辐射剂量分布情况；

所述摄像单元用于实时记录搜寻过程中的图像信息；

所述超宽带定位单元用于确定机器人在室内的位置，将位置坐标信息存储到数据存储单元，并通过无线通讯单元将位置坐标信息传输到技术人员终端设备；

所述电源安装在设备搭载平台的d1号位置，用于为机器人身上各种装置提供所需的电能；

所述主控单元用于控制机器人的各种行为；

所述无线通讯单元用于将机器人搜寻过程采集到的距离信息、辐射剂量强度信息、图像信息、位置坐标信息实时传输到技术人员的终端设备上；

所述数据存储单元用于存储机器人在搜寻过程中采集到的各种信息。

进一步地，所述机械部分的驱动机构具体包括电动机和角度伺服电机；所述电动机安装在设备搭载平台的d5号位置，分别与电源运动机构的轮子以及主控单元连接，用于控制机器人前进、后退以及控制机器人的直线运动速度；所述角度伺服电机安装在设备搭载平台的d3号位置，分别与电动机、电源以及主控单元连接，用于控制机器人的转向动作。

进一步地，所述探测部分的激光测距单元具体包括第一测距单元、第二测距单元和第三测距单元；所述第一测距单元安装在设备搭载平台的d2号位置，分别与电源、主控单元、无线通讯单元以及数据存储单元连接，用于测量前方障碍物的形体特征以及障碍物与机器人之间的距离，并将探测到的数据实时传输到主控单元；所述第二测距单元和第三测距单元分别安装在设备搭载平台的d4及d6号位置，第二测距单元和第三测距单元均分别与电源、主控单元、无线通讯单元以及数据存储单元连接，用于探测机器人与墙壁之间的距离，并将探测到的信息实时传输到主控单元。

进一步地，所述探测部分的辐射剂量探测单元安装在设备搭载平台的u5号位置，安装方式为：直棱柱轴线垂直于地面，两个底面中无探针一侧靠近地面；辐射剂量探测单元具体包括辐射屏蔽体和辐射剂量探测装置，辐射屏蔽体构成辐射剂量探测单元的外部，是一个底面为正八边形、上底面以及8个侧面各开有一个圆形小孔的、内部掏空的直棱柱；辐射剂量探测装置安装在辐射屏蔽体的内部，具体包括9个以gm管为主的相互独立的辐射剂量探测装置；所述9个以gm管为主的相互独立的辐射剂量探测装置分别安装在辐射剂量探测单元屏蔽体的上方、前方、后方、左方、右方、左前方、左后方、右前方以及右后方9个方向上，并分别与电源以及主控单元相连，侧面8个方向上的探针与机器人四个轮子底端所在平面平行，上底面的探针竖直向上，用于探测机器人搜寻区域内各个方向的辐射剂量率，并将探测到的辐射剂量率实时传输的主控单元；所述gm管的探针通过小孔探测该方向上的剂量率。

进一步地，所述探测部分的摄像单元安装在设备搭载平台的u2号位置,分别与电源、无线通讯单元、数据存储单元连接，用于采集搜寻过程的图像,并通过无线通讯单元将图像信息传输到技术人员的终端设备上，并将图像信息存储到数据存储单元中。

进一步地，所述探测部分的超宽带定位单元具体包括定位标签、定位基站以及定位解算引擎；所述定位标签安装在设备搭载平台的u1号位置，分别与电源、主控单元、无线通讯单元以及数据存储单元连接，用于发射超短时脉冲信号以及接收定位基站发送回来的定位数据；所述定位基站同时具有有线以太网和wifi两种回传信道，根据实际情况布置到室内，用于接收定位标签发送的超短时脉冲信号，并通过信号传输设备将脉冲信号传输到定位解算引擎；所述定位解算引擎为技术人员终端设备上的定位软件，用于解算定位基站传回的信号，实时确定机器人所处位置坐标信息。

进一步地，所述控制部分的主控单元安装在设备搭载平台的d7号位置，具体包括处理器和中断控制器；所述处理器分别与电动机、角度伺服电机、电源、无线通讯单元、数据存储单元、激光测距单元、辐射剂量探测单元、摄像单元、定位标签、定位解算引擎连接，用于处理各种装置反馈的信息，并向各种装置发送指令；所述中断控制器内置于处理器中，分别与电动机、角度伺服电机、电源连接，用于中断全局路径搜索并执行局部路径搜索，当完成局部路径搜索后，控制机器人返回中断点，继续执行全局路径规划搜索。

进一步地，所述控制部分的无线通讯单元,用于将搜寻过程中的图像信息传输到工作人员的终端设备。

本发明的另一目的可以通过以下技术方案来实现：

一种面向室内的失控放射源自主搜寻机器人的搜寻方法，步骤如下：

s1.参数初始化；

s2.进行采用沿墙走算法的全局路径搜索；

s3.第一局部路径搜索模式；

s4.第二局部路径搜索模式；

s5.确定目标物，返回中断点，并结束局部路径搜索；

s6.判断是否继续执行全局路径搜索；

s7.完成搜索，回到起始点，结束搜寻任务；

在整个搜索过程中：所述控制部分的电源始终为各种装置提供需要的电能；所述激光测距单元实时测量距离信息并传输到主控单元，主控单元根据激光测距单元的反馈数据做出判断，控制机器人避开障碍物；所述辐射剂量探测单元实时探测9个方向上的辐射剂量率并将采集到的数据传输到主控单元以及数据记录单元；所述摄像单元实时记录搜寻过程中机器人周边环境的图像信息，并将数据保存到数据存储单元，并通过无线通讯单元将图像传输至工作人员的终端设备；所述超宽带定位单元实时确定机器人所处位置坐标信息。

进一步地，步骤s1中，初始化的参数具体包括：设定辐射剂量率第一阈值a1、辐射剂量率第二阈值a2、离墙最近距离m1、离墙最远距离m2、转向及避障距离m3、间隔时间t1、第一局部搜索半径m4、机器人步长x1、第一局部路径搜索递增半径b以及重复次数n。

进一步地，步骤s2中，包括以下步骤：

s2.1，设定循环次数k＝0；

s2.2，进行采用沿墙走算法的全局路径搜索；在搜索过程中，所述辐射剂量探测单元的辐射剂量探测装置将探测到的辐射剂量数据实时传输到主控单元，主控单元实时判断辐射剂量探测单元上方的辐射剂量探测装置探测到的辐射剂量率是否大于第一阈值a1，若是，进入步骤s3，若否，判断辐射剂量探测单元侧方的辐射剂量探测装置探测到的辐射剂量率是否大于第一阈值a1，若是，进入步骤s4，若否，继续进行全局路径搜索。

进一步地，步骤s3中，具体步骤如下：

s3.1，主控单元令k＝k+1，并控制机器人暂停运动；

s3.2，经过时间t1后，主控单元控制机器人沿着以中断点为圆心、m4为半径的圆绕行；在机器人沿着以中断点为圆心、m4为半径的圆绕行的过程中，所述辐射剂量探测单元上方的辐射剂量探测装置将探测到的辐射剂量率传输到主控单元；

s3.3，主控单元将步骤s3.2返回的辐射剂量数据与第二阈值a2比较，若探测到的辐射剂量率大于第二阈值a2，则进入步骤s5；否则进入步骤s3.4；

s3.4,主控单元令m4＝m4+b；

s3.5，判断循环次数k是否等于n，若是，则返回步骤s2.2；若否，返回步骤s3.1。

进一步地，步骤s4中，具体步骤如下：

s4.1，主控单元令k＝k+1，主控单元控制机器人暂停运动，并对8组数据按大小排序；

s4.2，经过时间t1后，主控单元控制机器人沿辐射剂量率最大的方向前进一个步长x1的距离；

s4.3，判断辐射剂量率最大值是否大于第二阈值a2，若是，则进入步骤s5；否则进入步骤s4.4；

s4.4，判断循环次数k是否等于n，若是，则认为判断失误，返回步骤s2.2；若否，返回步骤s4.1。

进一步地，步骤s5中，具体步骤如下：

s5.1，认为机器人找到目标物；

s5.2，主控单元控制机器人暂停运动；

s5.3，主控单元通过数据处理的方式对机器人当前位置坐标进行特殊标记，并将机器人当前位置坐标设定为报警点，并将报警点记录在数据存储单元中，并通过无线通讯单元将报警点坐标传输到技术人员终端设备；

s5.4，完成放射源位置标记任务，主控单元控制机器人原路返回中断点。

进一步地，步骤s6中，具体步骤如下：主控单元通过超宽带定位单元探测到的定位信息判断机器人是否回到起始点，若是，则进入步骤s7；否则返回步骤s2.2。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明使用全自动机器人进行放射源的搜索，使工作人员避免了直接进行放射源搜寻的过程，降低了放射源搜寻人员受到辐射伤害的可能性，进一步保障了人们生产生活的安全性。

2.当机器人从单一方向搜索前进时，放射源有可能被障碍物阻挡，导致机器人检测到的辐射剂量率误差较大，本发明采用沿墙走算法进行全局搜索，能从不同方向对室内核辐射剂量率进行检测，可最大程度减少此类问题的出现。

3.本发明提出了正八面体形状的辐射剂量测量单元结构，使得机器人在一个位置时能同时测量尽可能多方向上的辐射剂量率，加快搜寻效率，提高搜寻精度。

附图说明

图1为本发明一种面向室内的失控放射源自主搜寻机器人系统的组成机构图；

图2为本发明实施例中的辐射剂量探测单元的结构示意图；

图3为本发明一种面向室内的失控放射源自主搜寻机器人的搜寻方法流程图；

图4为本发明实施例中步骤s2的实施流程图；

图5为本发明实施例中步骤s3的实施流程图；

图6为本发明实施例中步骤s4的实施流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的具体实施作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1所示，一种面向室内的失控放射源自主搜寻机器人，包括机械部分、探测部分、控制部分以及数据存储部分；所述机械部分具体包括运动机构、驱动机构和设备搭载平台；所述探测部分具体包括激光测距单元、辐射剂量探测单元、摄像单元和超宽带定位单元；所述控制部分具体包括电源、主控单元和无线通讯单元；所述数据存储部分具体包括数据存储单元；

所述运动机构分别与驱动机构及设备搭载平台连接；

所述电源分别与驱动机构、激光测距单元、辐射剂量探测单元、摄像单元、超宽带定位单元、主控单元、无线通讯单元以及数据存储单元连接；

所述主控单元分别与电源、激光测距单元、辐射剂量探测单元、摄像单元、超宽带定位单元、无线通讯单元以及数据存储单元连接；

所述运动机构具体包括轮子以及依靠轮子支撑的底盘，通过驱动机构的驱动，实现机器人的前进、后退以及转向；

所述驱动机构接收主控单元发出的指令，用于驱动运动机构做出动作；

所述设备搭载平台固定在运动机构的底盘上，包含上、下两层，每一层均被划分为9块区域，每层的9块区域大小可根据所搭载仪器设备尺寸进行调整确定，用于搭载各种仪器设备；设备搭载平台上层9块区域按左前、正前、右前、左侧、中间、右侧、左后、正后、右后的位置顺序分别编号：u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7、u8、u9；设备搭载平台下层的9块区域按左前、正前、右前、左侧、中间、右侧、左后、正后、右后的位置顺序分别编号：d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9；

所述激光测距单元用于实时探测机器人自身与障碍物以及墙壁之间的距离，并且将探测到的信息实时传输到主控单元；

所述辐射剂量探测单元用于探测待搜寻区域内的辐射剂量率以及辐射剂量分布情况；

所述摄像单元用于实时记录搜寻过程中的图像信息；

所述超宽带定位单元用于确定机器人在室内的位置，将位置坐标信息存储到数据存储单元，并通过无线通讯单元将位置坐标信息传输到技术人员终端设备；

所述电源安装在设备搭载平台的d1号位置，用于为机器人身上各种装置提供所需的电能；

所述主控单元用于控制机器人的各种行为；

所述无线通讯单元用于将机器人搜寻过程采集到的距离信息、辐射剂量强度信息、图像信息、位置坐标信息实时传输到技术人员的终端设备上；

所述数据存储单元用于存储机器人在搜寻过程中采集到的各种信息。

所述机械部分的驱动机构具体包括电动机和角度伺服电机；所述电动机安装在设备搭载平台的d5号位置，分别与电源运动机构的轮子以及主控单元连接，用于控制机器人前进、后退以及控制机器人的直线运动速度；所述角度伺服电机安装在设备搭载平台的d3号位置，分别与电动机、电源以及主控单元连接，用于控制机器人的转向动作。

所述探测部分的激光测距单元具体包括第一测距单元、第二测距单元和第三测距单元；所述第一测距单元安装在设备搭载平台的d2号位置，分别与电源、主控单元、无线通讯单元以及数据存储单元连接，用于测量前方障碍物的形体特征以及障碍物与机器人之间的距离，并将探测到的数据实时传输到主控单元；所述第二测距单元和第三测距单元分别安装在设备搭载平台的d4及d6号位置，第二测距单元和第三测距单元均分别与电源、主控单元、无线通讯单元以及数据存储单元连接，用于探测机器人与墙壁之间的距离，并将探测到的信息实时传输到主控单元。

如图2所示，所述探测部分的辐射剂量探测单元安装在设备搭载平台的u5号位置，安装方式为：直棱柱轴线垂直于地面，两个底面中无探针一侧靠近地面；辐射剂量探测单元具体包括辐射屏蔽体和辐射剂量探测装置，辐射屏蔽体构成辐射剂量探测单元的外部，是一个底面为正八边形、上底面以及8个侧面各开有一个圆形小孔的、内部掏空的直棱柱；辐射剂量探测装置安装在辐射屏蔽体的内部，具体包括9个以gm管为主的相互独立的辐射剂量探测装置；所述9个以gm管为主的相互独立的辐射剂量探测装置分别安装在辐射剂量探测单元屏蔽体的上方、前方、后方、左方、右方、左前方、左后方、右前方以及右后方9个方向上，并分别与电源以及主控单元相连，侧面8个方向上的探针与机器人四个轮子底端所在平面平行，上底面的探针竖直向上，用于探测机器人搜寻区域内各个方向的辐射剂量率，并将探测到的辐射剂量率实时传输的主控单元；所述gm管的探针通过小孔探测该方向上的剂量率。

所述探测部分的摄像单元安装在设备搭载平台的u2号位置,分别与电源、无线通讯单元、数据存储单元连接，用于采集搜寻过程的图像,并通过无线通讯单元将图像信息传输到技术人员的终端设备上，并将图像信息存储到数据存储单元中。

所述探测部分的超宽带定位单元具体包括定位标签、定位基站以及定位解算引擎；所述定位标签安装在设备搭载平台的u1号位置，分别与电源、主控单元、无线通讯单元以及数据存储单元连接，用于发射超短时脉冲信号以及接收定位基站发送回来的定位数据；所述定位基站同时具有有线以太网和wifi两种回传信道，根据实际情况布置到室内，用于接收定位标签发送的超短时脉冲信号，并通过信号传输设备将脉冲信号传输到定位解算引擎；所述定位解算引擎为技术人员终端设备上的定位软件，用于解算定位基站传回的信号，实时确定机器人所处位置坐标信息。

所述控制部分的主控单元安装在设备搭载平台的d7号位置，具体包括处理器和中断控制器；所述处理器分别与电动机、角度伺服电机、电源、无线通讯单元、数据存储单元、激光测距单元、辐射剂量探测单元、摄像单元、定位标签、定位解算引擎连接，用于处理各种装置反馈的信息，并向各种装置发送指令；所述中断控制器内置于处理器中，分别与电动机、角度伺服电机、电源连接，用于中断全局路径搜索并执行局部路径搜索，当完成局部路径搜索后，控制机器人返回中断点，继续执行全局路径规划搜索。

如图3所示，一种面向室内的失控放射源自主搜寻机器人的搜寻方法，步骤如下：

s1.参数初始化；初始化的参数具体包括：设定辐射剂量率第一阈值a1、辐射剂量率第二阈值a2、离墙最近距离m1、离墙最远距离m2、转向及避障距离m3、间隔时间t1、第一局部搜索半径m4、机器人步长x1、第一局部路径搜索递增半径b以及重复次数n。

s2.进行采用沿墙走算法的全局路径搜索；如图4所示，包括以下步骤：

s2.1，设定循环次数k＝0；

s2.2，进行采用沿墙走算法的全局路径搜索；在搜索过程中，所述辐射剂量探测单元的辐射剂量探测装置将探测到的辐射剂量数据实时传输到主控单元，主控单元实时判断辐射剂量探测单元上方的辐射剂量探测装置探测到的辐射剂量率是否大于第一阈值a1，若是，进入步骤s3，若否，判断辐射剂量探测单元侧方的辐射剂量探测装置探测到的辐射剂量率是否大于第一阈值a1，若是，进入步骤s4，若否，继续进行全局路径搜索。

s3.第一局部路径搜索模式；如图5所示，具体步骤如下：

s3.1，主控单元令k＝k+1，并控制机器人暂停运动；

s3.2，经过时间t1后，主控单元控制机器人沿着以中断点为圆心、m4为半径的圆绕行；在机器人沿着以中断点为圆心、m4为半径的圆绕行的过程中，所述辐射剂量探测单元上方的辐射剂量探测装置将探测到的辐射剂量率传输到主控单元；

s3.3，主控单元将步骤s3.2返回的辐射剂量数据与第二阈值a2比较，若探测到的辐射剂量率大于第二阈值a2，则进入步骤s5；否则进入步骤s3.4；

s3.4,主控单元令m4＝m4+b；

s3.5，判断循环次数k是否等于n，若是，则返回步骤s2.2；若否，返回步骤s3.1。

s4.第二局部路径搜索模式；如图6所示，具体步骤如下：

s4.1，主控单元令k＝k+1，主控单元控制机器人暂停运动，并对8组数据按大小排序；

s4.2，经过时间t1后，主控单元控制机器人沿辐射剂量率最大的方向前进一个步长x1的距离；

s4.3，判断辐射剂量率最大值是否大于第二阈值a2，若是，则进入步骤s5；否则进入步骤s4.4；

s4.4，判断循环次数k是否等于n，若是，则认为判断失误，返回步骤s2.2；若否，返回步骤s4.1。

s5.确定目标物，返回中断点，并结束局部路径搜索；具体步骤如下：

s5.1，认为机器人找到目标物；

s5.2，主控单元控制机器人暂停运动；

s5.3，主控单元通过数据处理的方式对机器人当前位置坐标进行特殊标记，并将机器人当前位置坐标设定为报警点，并将报警点记录在数据存储单元中，并通过无线通讯单元将报警点坐标传输到技术人员终端设备；

s5.4，完成放射源位置标记任务，主控单元控制机器人原路返回中断点。

s6.判断是否继续执行全局路径搜索；具体步骤如下：主控单元通过超宽带定位单元探测到的定位信息判断机器人是否回到起始点，若是，则进入步骤s7；否则返回步骤s2.2。

s7.完成搜索，回到起始点，结束搜寻任务；

在整个搜索过程中：所述控制部分的电源始终为各种装置提供需要的电能；所述激光测距单元实时测量距离信息并传输到主控单元，主控单元根据激光测距单元的反馈数据做出判断，控制机器人避开障碍物；所述辐射剂量探测单元实时探测9个方向上的辐射剂量率并将采集到的数据传输到主控单元以及数据记录单元；所述摄像单元实时记录搜寻过程中机器人周边环境的图像信息，并将数据保存到数据存储单元，并通过无线通讯单元将图像传输至工作人员的终端设备；所述超宽带定位单元实时确定机器人所处位置坐标信息。

以上所述仅为本发明的一种较佳实施例而已，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和原则之下所做出的若干变型和改进，都应当认为是本发明的保护范围。