一种实时3d核辐射环境重建监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种将机器人学、核福射技术、核福射检测技术和三维环境重建技术结 合而实现的实时3D核辐射环境重建监测系统，属于计算机视觉和核辐射监测领域。
【背景技术】
[0002] 基于移动机器人平台的三维激光雷达环境重建技术是涵盖了机器人运动控制、多 传感器信息融合、计算机视觉、模式识别等方向的综合技术。
[0003] 三维激光雷达能够快速、大面积的获取被扫描对象的三维点云数据，从而进行三 维几何重建。具体来说通过包括三维激光雷达在内的光学设备可以得到表征物体表面的大 量三维点云，即物体的三维图形。但是由于光的线性传播特性，光学设备每次只能测量到物 体局部坐标系下的部分表面，并且出现平移错位和旋转错位。为了得到基准坐标系下的物 体完整表面的点云数据，需要对这些部分表面点云进行整合配准。点云配准就是寻找一种 三维空间变换使在不同视角下的三维坐标点云共同部分能够正确地匹配和搭接，进而获得 较好的三维重建效果。目前，点云数据配准的方式有三种：手动配准技术、依赖仪器的配准 技术和自动配准技术。通常所说的点云配准技术即是指最后一种自动配准技术。它包括初 始配准和精确配准两步。如果初始配准不精确，就不能够给精确配准提供良好的初值；如果 精确配准不精确，将会影响后续的三维重建效果。
[0004] 德国Andreas教授等开发了一系列移动机器人平台用来进行室内外环境三维重 建方面的研宄。其中Irma3D轮式移动机器人通过Riegl VZ-400三维激光扫描仪获取室 外环境的三维激光点云数据，提出一种6D SLAM算法实现大量激光测距值的注册，采用 octree的数据存储压缩方式，并通过三维hough变换从大量点云中提取平面特征。这一移 动机器人平台已在一座古建筑群内进行实际实验，实现了高精度的三维场景重建。Kurt3D 移动机器人搭载了一台经过改造的SICK三维激光扫描仪，利用机器人的六自由度位姿变 化来构建三维环境地图。美国CMU机器人研宄中心的S. Thrun教授带领团队在移动机器人 三维环境建模方面开展了大量工作。他们在一台Pioneer移动机器上安装了两台激光测距 仪，前视激光用于二维平面上的定位与地图创建，向上放置的激光在竖直平面内扫描，据此 提出一种实时的室内环境三维地图创建方法。他们还提出了基于立体视觉和三维栅格地 阁的室内环境感知，在研发的Groundhog井下探测机器人平台上，配备了激光测距传感器、 夜视相机、气体检测仪和陀螺仪等，用以实现基于激光测距和图像融合的三维环境建模，为 机器人在复杂井下场景的探测和操作提供了准确实时的导航信息。德国Tubingen大学的 Peter Biber等利用ActivMedia Peoplebot机器人平台，给二维激光扫描仪增加了上下平 移装置，并结合全景相机实现了室内三维环境模型的重建。美国Columbia大学在街区项目 (AVENUE project)中开发了一款导航机器人，配备了彩色相机、激光测距仪和GPS，在移动 过程中可以生成具有真实感的室外场景三维地图。韩国Sangwoo Jo等构建了一个基于虚 拟现实的三维模型漫游系统，可以在电脑、网页浏览器、移动设备上实时显示移动机器人构 建的三维室内环境模型。
[0005] 核辐射技术是一门以原子核物理学和核化学为基础，以反应堆、加速器和核辐射 探测为工具的综合性强、应用面广的现代科学技术。核辐射环境监测系统是辐射防护应急 及核安全的一个重要环节，建立实时的核辐射环境监测系统，能够及时准确的向工作人员 提供环境辐射情况。目前，核辐射环境监测系统可分为以下两大类：
[0006] 核辐射环境固定监测系统和核辐射环境移动监测系统；
[0007] 其中，核辐射环境固定监测系统一般建立在核电厂或者大型核设施的周围。全国 已有三套针对核电厂核辐射环境固定监测系统，分别分布在广东大亚湾/岭澳核电站、秦 山核电基地和田湾核电站。秦山核电外围环境Y辐射固定监测系统于2002年将投放使 用。该系统是一个分布式的数据采集、传送、存储、处理和分析的信息系统，整个系统分为三 个部分：现场监测站、秦山现场汇总站和杭州数据处理中心。广东大亚湾核电站固定监测系 统主要由Y辐射监测站和厂区自动气象站组成，该系统主要功能是对核电站正常运行和 应急状态下的环境中Y辐射进行连续监测。
[0008] 核辐射环境移动监测系统是指核辐射探测仪器安装在移动搭载平台（车载、船 载、机载）上，可快速完成实时监测，获取核辐射环境的剂量分布数据。美国是建立核应急 航空监测系统最早的国家，该系统由美国能源部以委托契约的方式委托给EG&G公司实际 运行。法国的核事故应急监测系统是由Valduc核研宄中心开发成功的，核应急航空检测任 务也是由该中心承担，使用的是直升飞机。加拿大和瑞典的核事故应急航空监测认为分别 是由各自国家的地质调查所或地质公司承担的。车载核事故应急监测系统是目前使用较多 的一种移动监测方式，相比于航空应急监测系统成本降低很多。中国防化研宄院自行设计、 研制和生产的具有知识产权的移动辐射检测车应用于路面本底y污染，由电力驱动，利用 GPS精确定位测量点坐标，对不同等级的热点实施喷黄、红警戒色剂。德国Target公司生产 的环境辐射检测车，安装配备了多种不同检测器的便携式或实验室辐射监测系统，可随时 随地快速准确的进行放射性检测和能谱分析。
[0009] 但是，尽管核辐射监测系统在核辐射环境中已开始应用，但要实时的重建辐射剂 量的3D空间分布，指导移动机器人完成安全地自主导航和高效地实现核任务的完成，还没 有一个具体实际应用和合适解决方案。同时移动机器人在结构化的室内环境和非结构化的 室外环境进行三维环境建模很常见，但在核环境中进行三维环境建模就很少了。而核辐射 环境中基于移动机器人的3D环境建模技术和核辐射检测技术的结合基本没有。所以对机 器人在核辐射环境中辐射剂量的监测与核辐射环境重建是本发明要解决的主要问题。
【发明内容】
[0010] 本发明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。
[0011] 本发明还有一个目的是提供一种实时3D核辐射环境重建监测系统，其采用计算 机视觉技术、光学技术、核探测技术和传感器技术等，为被监测核辐射环境建立具有剂量分 布的3D重建模型，实现了核辐射剂量分布的实时监测与可视化，让工作人员能对被监测核 辐射环境各处的核辐射情况一目了然。
[0012] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了以下技术方案：
[0013] 一种实时3D核辐射环境重建监测系统，其用于实时建立被监测核辐射环境的3D 核车§射剂量分布，该系统包括：
[0014] 在参考坐标系下建立所述被监测核辐射环境的具有真实感的3D环境模型；
[0015] 通过移动机器人装载的核辐射传感器在所述参考坐标系下采集被监测核辐射环 境不同空间位置的核辐射剂量数据，并将所述核辐射剂量数据在参考坐标系下建立起被监 测核福射环境的核福射剂量模型；
[0016] 将被监测核辐射环境的核辐射剂量模型与被监测核辐射环境的3D环境模型在所 述参考坐标系下进行点对点的数据融合，建立出被监测核辐射环境的3D核辐射剂量分布。
[0017] 优选的是，所述建立所述被监测核辐射环境的具有真实感的3D环境模型包括：
[0018] 通过移动机器人装载的单目摄像机和三维激光雷达分别获取被监测核辐射环境 的多张近景摄影图像和激光点云数据，并分别对单目摄像机和三维激光雷达进行标定使获 得的多张近景摄影图像对激光点云数据进行染色，然后对染色后的激光点云数据进行初始 配准和精确配准。
[0019] 优选的是，所述通过移动机器人装载的核辐射传感器在所述参考坐标系下采集被 监测核辐射环境不同空间位置的核辐射剂量数据中包括：先对核辐射传感器进行标定得到 核辐射传感器坐标系与所述参考坐标系之间的转换关系。
[0020] 优选的是，所述实时3D核辐射环境重建监测系统还包括：通过移动机器人装载的 热红外成像仪采集被监测核辐射环境的热图像，并对所述热红外成像仪进行标定得到热红 外成像仪坐标系与所述参考坐标系之间的转换关系。
[0021] 优选的是，所述核辐射传感器设置在所述热红外成像仪的正上方，对所述核辐射 传感器进行标定的过程为：
[0022] 利用对所述热红外成像仪的标定结果以及核辐射传感器与热红外成像仪在参考 坐标系上的高度差，求得核辐射传感器坐标系与参考坐标系之间的转换关系。
[0023] 优选的是，在进行点对点的数据融