一种用于核辐射环境的无人机与机器人监测系统的制作方法

本发明涉及环境监测领域，尤其涉及一种用于核辐射环境的无人机与机器人监测系统。

背景技术：

在突发核辐射事故的时候，需要准确定位核辐射的热点区域，由于健康风险，实际定位不应由人类执行，因此有必要研发核辐射无人探测系统对辐射区域进行快速、精确的侦测，这是确定核事故分级、评价核事故辐射后果、采取应急响应措施的重要依据。

目前机器人已经广泛应用于核事故的探测，但由于复杂地形影响存在探测距离有限的缺点，而无人机可以搭载辐射探测器无视地形进行探测，能获取更多机器人获取不到的信息，但主要缺点是受搭载设备影响，对无人机自身承重有一定要求，环境辐射剂量的探测精度不如机器人系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种用于核辐射环境的无人机与机器人监测系统，利用无人机负责环境数据的快速采集，以创建辐射区域的精确正射影像和地形图，同时无人机搭载信号中转设备与地面机器人实时通讯，使得机器人的探测范围得以大幅度的增加；同时基于无人机的航拍图，设置机器人需要检查的区域，机器人携带温湿度传感器和高灵敏度伽马辐射探测器前往该区域进行探测获取准确的核辐射数据。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种用于核辐射环境的无人机与机器人监测系统，该系统包括：无人机平台、机器人平台、以及控制操作平台；所述无人机平台包括无人机动力系统、超声波测距模块、导航模块和摄像模块；所述机器人平台包括机器人动力系统、控制模块、自定位模块、核辐射剂量探测装置和数据采集模块；所述控制操作平台包括主控模块、数据传输模块、上位机和人机交互界面；此外，所述无人机平台、机器人平台、以及控制操作平台还各自包含一个无线通信模块；

所述无人机平台、机器人平台、以及控制操作平台通过各自的无线传输模块进行相互通信；所述无人机平台的无线传输模块分别与所述无人机动力系统、摄像模块及导航模块连接，所述超声波测距模块与无人机动力系统连接；所述机器人平台的数据采集模块分别与机器人平台的无线传输模块、控制模块、自定位模块、核辐射剂量探测装备、以及机器人动力系统连接；所述控制操作平台的无线传输模块与主控模块连接，所述主控模块与上位机通过数据传输模块相连接，所述人机交互界面加载于上位机；

所述无人机平台通过与主控模块无线通信来控制无人机动力系统，实现无人机的飞行、降落和悬停动作，并且在飞行过程中借助超声波测距模块进行障碍物探测，使得无人机能够避免和障碍物发生碰撞；所述无人机平台的导航模块，用于定位无人机在辐射区域内的准确位置；所述无人机平台的摄像模块，用于采集辐射区域内环境地理信息；所述无人机平台的无线传输模块，用于向控制操作平台实时传输环境地理信息；

所述机器人平台通过与主控模块无线通信来控制机器人动力系统，实现机器人的前进、后退、停止动作；所述核辐射剂量探测装置，用于在行进过程中测量环境辐射数据、温度、湿度；所述机器人平台的无线传输模块，用于实时接收来自上位机修正后的环境地理信息，为机器人行进轨迹进行导航，以及用于传输所采集的环境辐射数据；所述自定位模块用于定位机器人的测量位置；所述数据采集模块，用于采集自定位模块的机器人定位信息和核辐射剂量探测装置测量的环境温湿数据和环境辐射数据；所述控制模块，用于处理通过无线传输接收的上位机修正后的环境地理信息，并对机器人进行计算自主定位；

所述控制操作平台的无线传输模块，用于接收无人机探测的环境地理信息、无人机定位信息和机器人探测的环境温湿数据、环境辐射数据、机器人定位信息，以及传递主控模块的控制信息和上位机修正处理后的环境地理信息；所述主控模块，用于控制无人机与机器人的行为；所述数据传输模块，用于传递采集的信息和用户操作指令；所述上位机，用于传递用户操作指令，通过无线传输实时接收无人机探测的环境地理信息和无人机定位信息，并对环境地理信息进行修正，然后将修正后的环境地理信息通过无线传输传递至机器人平台，进而实时接收机器人平台采集的环境辐射测量数据和机器人定位信息，实现区域内的核环境监测，呈现区域辐射分布图；所述人机交互界面，用于输入用户操作指令到上位机，方便用户对系统进行操控，实现信息的有效处理。

作为优选的技术方案，所述控制操作平台和无人机平台的协作方式如下：

所述人机交互界面输入设定需要探测的环境区域指令到上位机，上位机通过数据传输模块将环境区域指令发送到主控模块；主控模块根据环境区域指令通过无线通信控制无人机平台动力系统，控制无人机飞行至环境区域指令中所要监测的区域；在无人机飞行过程中，超声波测距模块进行障碍物的探测并将障碍物信息传给无人机动力系统，使得无人机能够避免和障碍物发生碰撞，准确地到达所需监测的区域；无人机飞行过程中快速采集环境地理信息和自身定位信息，然后通过其无线传输模块将采集的信息发送到控制操作平台的无线传输模块，该无线传输模块将接收到的信息进行打包，通过数据传输模块传输到上位机，所述上位机再对接收到的信息进行处理并对探测区域地形进行修正，将修正后的探测区域作为目标探测区域，然后操作人员通过人机交互界面设定机器人的目标探测区域到上位机。

作为优选的技术方案，所述控制操作平台和机器人平台的协作方式如下：

经过所述无人机平台和控制操作平台确定目标探测区域后，所述上位机通过数据传输模块将目标探测区域指令发送到主控模块；所述主控模块根据目标探测区域指令通过无线通信控制机器人动力系统，部署机器人携带核辐射剂量探测装置并配备自定位模块至目标探测区域指令中所要监测的区域边缘位置，所述上位机根据无人机平台实时传回的地形数据不断更新计算机器人的行进轨迹，使得机器人探测范围大幅增大；所述核辐射剂量探测装置探测目标探测区域中的温度数据、湿度数据和辐射剂量率数据，同时所述自定位模块实时定位机器人的测量位置，然后通过无线传输将探测的数据和定位信息发送到控制操作平台的无线传输模块，控制操作平台将接收到的数据和定位信息通过其信号传输模块传输到上位机，上位机处理环境温湿度、核辐射剂量数据和机器人定位信息，并一起处理实时接收的环境地理信息和无人机定位信息，生成区域辐射分布图。

作为优选的技术方案，当所述机器人平台与控制操作平台为近距离传输信号时，通过机器人平台的无线传输模块将该平台探测的数据和机器人定位信息直接发送至控制操作平台的无线传输模块；

当所述机器人平台与控制操作平台为远距离传输信号时，通过机器人平台的无线传输模块将该平台探测的数据和机器人定位信息发送到无人机平台的无线传输模块，所述无人机平台的无线传输模块将数据信号中转后传输到控制操作平台的无线传输模块。

作为优选的技术方案，所述机器人平台的自定位模块另外配备全球卫星导航系统模块和惯性导航模块，所述机器人的定位信息通过全球卫星导航系统模块与惯性导航模块的数据计算修正得到；所述全球卫星导航系统模块用于接收厘米级精度的机器人测量位置；所述惯性导航模块用于修正信号延时过程中全球卫星导航系统模块的定位误差。

作为优选的技术方案，所述系统对机器人的定位方式，具体如下：

通过上位机接收并处理来自无人机的环境地理信息和定位信息，创建核辐射区域地理配准的正射影像和数字高程模型，对环境地理信息进行修正，然后将修正后的环境地理信息通过无线通信传输至机器人平台，通过其控制模块处理修正后的地理环境信息，并进行计算自主定位，最后由自主定位模块完成机器人的位置测量。

作为优选的技术方案，根据所述上位机处理环境地理位置的二位平面信息，所述人机交互界面建立三维模型，以重建地面环境，定位辐射源，对测量进行插值以提供地图或一系列源项的坐标，生成区域辐射分布图。

作为优选的技术方案，所述无人机动力系统包括两个正螺旋桨和两个反螺旋桨组成的四旋翼，四个电子调速器和四个电机，电子调速器调节电机转速，每个电机对应控制一个螺旋桨；

所述机器人动力系统包括四个由各自步进电机驱动的麦克纳姆轮，各步进电机的动力输出轴分别与相应的麦克纳姆轮驱动连接。

作为优选的技术方案，所述机器人平台的核辐射剂量探测装置包括温湿度传感器和以gm计数管为主的γ辐射探测器。

作为优选的技术方案，所述无人机平台的无线传输模块具体包括wifi信号装置和4g网络装置；

所述机器人平台的无线传输模块具体包括wifi信号装置、无线网桥和4g网络装置；

所述控制操作平台的无线传输模块具体包括无线路由器、无线网桥和4g网络装置；

所述无人机平台和机器人平台采集的信息通过无线通信传输给主控模块，所述主控模块通过数据传输模块传输给上位机。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

1、本发明利用无人机技术，实现辐射区域地理信息快速数据采集，以辐射区域的精确正射影像和地形图；

2、本发明采用视频联控技术，能够实时了解无人机所处环境，同时使用地面机器人车载传感器系统直接进行地理配准，不需要地面标记；

3、本发明采用无线传输技术，利用无人机为机器人导航，从而设定机器人可访问的区域找到到达目标区域的最短路径，使机器人的探测范围增大；

4、本发明采用探测技术，能够实现对核辐射环境区域的地理环境信息的快速采集，湿度、温度以及辐射剂量率的测量，并实时传输到上位机；

5、本发明采用了自定位技术，让机器人避免与障碍物发生碰撞，规划好行进路线避免机器人前往地形坡度超过其爬坡能力阈值范围的区域，减轻操作人员的工作量。

附图说明

图1为本发明的用于核辐射环境的无人机与机器人监测系统组成示意图；

图2为本发明机器人平台与无人机平台和控制操作平台的无线传输示意图；

图3为本发明用于核辐射环境的无人机与机器人监测系统的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。

实施例

如图1所示，一种用于核辐射环境的无人机与机器人监测系统，具体包括：无人机平台、机器人平台、以及控制操作平台；所述无人机平台具体包括无人机动力系统、超声波测距模块、导航模块和摄像模块；所述机器人平台具体包括机器人动力系统、控制模块、自定位模块、核辐射剂量探测装置、和数据采集模块；所述控制操作平台包括主控模块、数据传输模块、上位机和人机交互界面；此外，所述无人机平台、机器人平台、以及控制操作平台还各自包含一个无线通信模块。

所述无人机平台、机器人平台、以及控制操作平台通过各自的无线传输模块进行相互通信；所述无人机平台的无线传输模块分别与所述无人机动力系统、摄像模块及导航模块连接，所述超声波测距模块与无人机动力系统连接；所述机器人平台的数据采集模块分别与机器人平台的无线传输模块、控制模块、自定位模块、核辐射剂量探测装备、以及机器人动力系统连接；所述控制操作平台的无线传输模块与主控模块连接，所述主控模块与上位机通过数据传输模块相连接，所述人机交互界面加载于上位机。

所述无人机平台通过与主控模块无线通信来控制无人机动力系统，实现无人机的飞行、降落和悬停动作，并且在飞行过程中借助超声波测距模块进行障碍物探测，使得无人机能够避免和障碍物发生碰撞；所述无人机平台的导航模块，用于定位无人机在辐射区域内的准确位置；所述无人机平台的摄像模块，用于采集辐射区域内环境地理信息；所述无人机平台的无线传输模块，用于向控制操作平台实时传输环境地理信息，并用于作为机器人平台与控制操作平台远距离传输数据时的中转模块；

如图2所示，所述机器人平台通过与主控模块无线通信来控制机器人动力系统，实现机器人的前进、后退、停止动作；所述核辐射剂量探测装置，用于在行进过程中测量进行环境辐射数据、温度、湿度。所述机器人平台的无线传输模块，用于实时接收上位机修正后的环境地理信息，为机器人行进轨迹进行导航，以及用于传输所采集的环境辐射数据。所述自定位模块用于定位机器人的测量位置，另配备全球卫星导航系统模块和惯性导航模块，所述机器人的定位信息通过全球卫星导航系统模块与惯性导航模块的数据计算修正得到；所述全球卫星导航系统模块用于接收厘米级精度的机器人测量位置；所述惯性导航模块用于修正信号延时过程中全球卫星导航系统模块的定位误差。所述数据采集模块，用于采集全球卫星导航系统模块的地理信息和自定位模块经所述惯性导航模块修正后的定位信息，采集传输控制模块与机器人动力系统的运行指令以及核辐射剂量探测装置测量的环境温湿度和环境辐射数据。所述控制模块，用于处理通过无线传输接收的上位机修正后的环境地理信息，并对机器人进行计算自主定位。

所述控制操作平台的无线传输模块，用于接收无人机探测的环境地理信息、无人机定位信息和机器人探测的环境温湿数据、环境辐射数据、机器人定位信息，以及传递主控模块的控制信息和上位机修正处理后的环境地理信息；所述主控模块，用于控制无人机与机器人的行为；所述数据传输模块，用于传递采集的信息和用户操作指令；所述上位机，用于传递用户操作指令，通过无线传输实时接收无人机探测的环境地理信息和无人机定位信息，并对环境地理信息进行修正，然后将修正后的环境地理信息通过无线传输传递至机器人平台，进而实时接收机器人平台采集的环境辐射测量数据和机器人定位信息，实现区域内的核环境监测，呈现区域辐射分布图；所述人机交互界面，用于输入用户操作指令到上位机，方便用户对系统进行操控，实现信息的有效处理。

在本实施例中，所述系统对机器人的定位方式，具体为：通过上位机接收并处理来自无人机的环境地理信息和定位信息，创建核辐射区域地理配准的正射影像和数字高程模型，对环境地理信息进行修正，然后将修正后的环境地理信息通过无线通信传输至机器人平台，通过机器人平台的控制模块处理修正后的地理环境信息，并进行计算自主定位，最后由自主定位模块完成机器人的位置测量。

在本实施例中，所述无人机动力系统具体包括两个正螺旋桨和两个反螺旋桨组成的四旋翼，四个电子调速器和四个电机，电子调速器调节电机转速，每个电机对应控制一个螺旋桨；

所述无人机平台的超声波测距模块为超声波测距传感器；

所述机器人动力系统具体包括四个由各自步进电机驱动的麦克纳姆轮，各步进电机的动力输出轴分别与相应的麦克纳姆轮驱动连接；

所述机器人平台的核辐射剂量探测装置具体包括温湿度传感器和以gm计数管为主的γ辐射探测器；

所述无人机平台的无线传输模块具体包括wifi信号装置和4g网络装置；所述机器人平台的无线传输模块具体包括wifi信号装置、无线网桥和4g网络装置；所述控制操作平台的无线传输模块具体包括无线路由器、无线网桥和4g网络装置；所述无人机平台和机器人平台采集的信息通过无线通信传输给主控模块，所述主控模块通过数据传输模块传输给上位机。

在本实施例中，图3所示，用于核辐射环境的无人机与机器人监测系统的工作方式，具体如下：

人机交互界面输入设定需要探测的环境区域指令到上位机，上位机通过数据传输模块将环境区域指令发送到主控模块；主控模块根据环境区域指令通过无线通信控制无人机平台动力系统，控制无人机飞行至环境区域指令中所要监测的区域；在无人机飞行过程中，超声波测距模块进行障碍物的探测并将障碍物信息传给无人机动力系统，使得无人机能够避免和障碍物发生碰撞，准确地到达所需监测的区域；无人机飞行过程中快速采集环境地理信息和自身定位信息，然后通过其无线传输模块将采集的信息发送到控制操作平台的无线传输模块，该无线传输模块将接收到的信息进行打包，通过数据传输模块传输到上位机，所述上位机再对接收到的信息进行有效处理并对探测区域地形进行修正，将修正后的探测区域作为目标探测区域，然后操作人员通过人机交互界面设定机器人的目标探测区域到上位机；

上位机通过数据传输模块将目标探测区域指令发送到主控模块；主控模块根据目标探测区域指令通过无线通信控制机器人动力系统，部署机器人携带核辐射剂量探测装置并配备自定位模块至目标探测区域指令中所要监测的区域边缘位置，上位机根据无人机平台实时传回的地形数据不断更新计算机器人的行进轨迹，使得机器人探测范围大幅增大；核辐射剂量探测装置探测目标区域中的温度数据、湿度数据和辐射剂量率数据，同时自定位模块实时定位机器人的测量位置，然后通过无线传输方式将探测数据和定位信息发送到控制操作平台的无线传输模块(近距离传输时)，或者(远距离传输时)发送到无人机平台的无线传输模块，所述无人机平台的无线传输模块将数据信号中转后传输到控制操作平台，控制操作平台将接收到的数据和定位信息通过其信号传输模块传输到上位机，上位机处理环境温湿度、核辐射剂量数据和机器人定位信息，并一起处理实时接收的环境地理信息和无人机定位信息，对测量结果进行插值，能够尽快定位辐射源，以提供地图或一系列源项的坐标，生成区域辐射分布图；上位机再对接收到的信息进行有效处理并发送返回指令到主控模块，主控模块通过无线传输模块控制无人机和机器人返回降落处降落，结束对所需监测区域的监测。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。