CN107521678A - 用于核辐射放射源定位及抓取的无人机***及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于核辐射放射源定位及抓取的无人机***及其方法，包括：地面站装置、无人机、设置于无人机上的太阳能电力装置和定位及抓取装置；地面站装置包括：地面站信息处理单元、人机交互单元和地面站数据传输单元；太阳能电力装置包括：太阳能透镜单元和相应的太阳能电池板；定位及抓取装置包括：信息处理单元、与信息处理单元分别相连的飞行控制单元、定位单元、障碍物监测单元、核辐射强度传感器、图像采集单元、机械手单元和数据传输单元；应急处理人员通过地面站装置实时查看数据信息，并发送无人机和机械手的控制命令，从而遥控放射源的抓取；本发明能够精确找出并核辐射区域内的未知放射源，同时可以完成对放射源的抓取工作。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种无人机控制领域的技术，具体是一种用于核辐射放射源定位及抓取的无人机***及其方法。
背景技术
近十年以来，国内发生了多起Ⅱ类放射源(高危险源)丢失、被盗的事故。在实际搜寻、处置过程中，除了少数在容许条件下用了车辆及车载仪器进行搜寻外，大多数情况下仍然被迫采取人海战术，动员大量人员使用便携式仪器到处拉网式搜寻，效率较低。国内外的现有研究充分证明，利用无人机展开辐射巡测具备可行性，但该平台还有很多亟需解决的问题存在。如，针对无人机飞行方案和飞行路径的研究大多基于特定的假想事故场景，进行仿真模拟验证，而未进行实测研究。而在实际进行检测时，平台稳定性和所采集数据的准确性亦有待进一步验证。
发明内容
本发明针对现有技术由于结构设计特点，无法检测无人机周围的障碍物环境且不能进行放射物质回收工作，提出一种用于核辐射放射源定位及抓取的无人机***及其方法，通过太阳能电力装置对无人机和搭载在无人机上的定位及抓取装置供能，无人机飞行时定位及抓取装置与地面站装置进行双向数据传输，以便应急操作人员通过地面站装置将控制指令发送给无人机和定位及抓取装置，可对含有未知放射源的辐射区域进行连续自动监测，并在寻找到放射源后完成抓取动作。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于核辐射放射源定位及抓取的无人机***，包括：地面站装置、无人机、设置于无人机上的太阳能电力装置和定位及抓取装置，其中：太阳能电力装置为无人机、定位及抓取装置供能，地面站装置接收无人机和定位及抓取装置的信息，并向定位及抓取装置反馈应急处理人员的控制命令，控制无人机和定位及抓取装置在核辐射区域内进行放射源的定位和抓取。
所述的地面站装置包括：地面站信息处理单元、与地面站信息处理单元分别相连的人机交互单元和地面站数据传输单元，其中：地面站信息处理单元处理地面站数据传输单元接收到的数据，并将无人机的飞行状态信息和监测信息显示在人机交互单元中。
所述的飞行状态信息包括但不限于：飞行速度、飞行高度、飞行姿态和所处地理位置的经纬度。
所述的监测信息包括：飞行路径中的障碍物信息、核辐射强度实时监测结果和实时视频影像信息。
所述的太阳能电力装置包括：太阳能透镜单元和相应的太阳能电池板，其中：太阳能透镜单元聚集太阳光，太阳能电池板将获取到的太阳光的光能转化为电能。
所述的太阳能电力装置位于无人机的中心板或机翼上方。
所述的定位及抓取装置包括：信息处理单元、与信息处理单元分别进行信息交互的飞行控制单元、定位单元、障碍物监测单元、核辐射强度传感器、图像采集单元、机械手单元和数据传输单元，其中：飞行控制单元接收信息处理单元发送的飞行路径和无人机控制信息；定位单元将实时自动监测到的无人机的地理位置信息发送至信息处理单元；障碍物监测单元将自动实时监测到的障碍物信息发送至信息处理单元；核辐射强度传感器将自动实时监测到的区域内的核辐射强度监测结果及相关信息发送至信息处理单元；图像采集单元在获取辐射区域内的视频影像信息后进行存储，并实时传输给信息处理单元；机械手单元接收信息处理单元发送的控制命令，并根据控制命令作出相应的动作；数据传输单元与信息处理单元进行双向数据传输。
所述的地理位置信息包括：经度信息、纬度信息和海拔高度信息。
所述的障碍物信息包括障碍物和无人机与障碍物的距离信息。
所述的飞行控制单元控制无人机沿飞行路径在辐射区域内巡航，并在找到放射源后控制无人机悬停。
所述的核辐射强度传感器采用高低双探测器结构，高量程探测器进行高辐射强度的测量，低量程探测器进行低量程高灵敏度的测量。
所述的核辐射强度传感器设有激光测距仪，激光测距仪与信息处理单元相连。
所述的图像采集单元为高清云台摄像头，并带有存储装置。
所述的机械手单元通过旋转云台与无人机相连，旋转云台控制机械手单元的转动。
本发明涉及一种基于上述无人机***的核辐射放射源的搜寻处置方法，首先通过无人机在核辐射区域内自动巡航检测，信息处理单元在实时与地面站装置进行无人机状态、控制和监测数据交互的同时根据接收到的无人机的飞行状态信息和监测信息确定放射源的精确位置，并发送至地面站装置；应急处理人员通过地面站装置的人机交互单元实时查看数据信息，并通过人机交互单元向地面站信息处理单元发送无人机和机械手的控制命令；无人机和机械手的控制命令在地面站信息处理单元编码后通过地面站数据传输单元发送至数据传输单元，经信息处理单元解码后向无人机和机械手单元发送控制命令，从而遥控无人机和机械手单元对放射源进行抓取。
技术效果
与现有技术相比，本发明在无人机上搭载定位及抓取装置，通过飞行控制单元控制无人机的飞行，核辐射强度传感器和定位单元监测核辐射区域内的核辐射强度分布情况，障碍物监测单元监测无人机飞行路径上可能存在的障碍物，图像采集单元在无人机飞行时实时采集视频影像信息，信息处理单元整合以上信息，以确定放射源的精确地理位置，并在无人机飞行中遇到障碍物时控制无人机进行相应的闪避动作，使核辐射防控中心能够精确查找已知区域内的未知放射源，实现基于无人机的回收处理工作，最大程度降低人员参与度，保障搜源的应急处理人员的人身安全。
附图说明
图1为无人机***示意图；
图2为定位及抓取装置示意图；
图3为地面站装置示意图；
图中：1无人机、2定位及抓取装置、3地面站装置、4太阳能电力装置、200信息处理单元、201飞行控制单元、202定位单元、203障碍物监测单元、204核辐射强度传感器、205 图像采集单元、206机械手单元、207数据传输单元、300地面站信息处理单元、301人机交互单元、302地面站数据传输单元；
图4为用于核辐射放射源定位及抓取的无人机***实物图；
图5为实施例中测试区域内放射强度分布图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：地面站装置3、无人机1、设置于无人机1上的太阳能电力装置4和定位及抓取装置2，其中：太阳能电力装置4为无人机1、定位及抓取装置2供能，地面站装置3接收无人机1和定位及抓取装置2的信息，并向定位及抓取装置2反馈应急处理人员的控制命令，控制无人机1和定位及抓取装置2在核辐射区域内进行放射源的定位和抓取。
所述的无人机1为由无线电遥控设备或机载控制板操控的小型无人驾驶飞行器，包括但不限于：固定翼无人机1、多旋翼无人机1、无人伞翼机或无人机1飞艇。
如图3所示，所述的地面站装置3包括：地面站信息处理单元300、与地面站信息处理单元300分别相连的人机交互单元301和地面站数据传输单元302，其中：地面站信息处理单元300处理地面站数据传输单元302接收到的数据，并将无人机1的飞行状态信息和定位及抓取装置2的监测信息显示在人机交互单元301中。
所述的飞行状态信息包括但不限于：飞行速度、飞行高度、飞行姿态和所处地理位置的经纬度。
所述的监测信息包括：飞行路径中的障碍物信息、核辐射强度实时监测结果和实时视频影像信息。
所述的地面站信息处理单元300可以是微处理器、处理芯片或具有数据处理控制的微控制器。
所述的人机交互单元301为具有液晶显示屏幕的触摸屏或支持键盘鼠标的显示***，配合相应的软件应用，进行信息显示和应急处理人员输入的控制命令的接收，并回传至地面站信息处理单元300。
所述的地面站数据传输单元302为可远距离传输数据信息的无线通信装置，如基于GSM、 GPRS、Wi-Fi、MSK或FSK/GFSK等信号调制原理的无线数据传输电台，用于定位及抓取装置 2与地面站装置3之间的双向数据传输。
所述的地面站数据传输单元302可进行远距离低延迟高带宽的数据通讯。
所述的地面站装置3可以是计算机，也可以是具有数据处理和显示功能的电子***或者核辐射防控应急中心，用于人机交互。
所述的太阳能电力装置4包括：太阳能透镜单元和相应的太阳能电池板，其中：太阳能透镜单元聚集太阳光，太阳能电池板将获取到的太阳光的光能转化为电能。
所述的太阳能电力装置4位于无人机1的中心板或机翼上方。
所述的太阳能电力装置4为无人机1及其上的定位及抓取装置2提供电能，延长***的飞行运作时间。
如图2所示，所述的定位及抓取装置2包括：信息处理单元200、与信息处理单元200分别进行信息交互的飞行控制单元201、定位单元202、障碍物监测单元203、核辐射强度传感器204、图像采集单元205、机械手单元206和数据传输单元207，其中：飞行控制单元201接收信息处理单元200发送的无人机1的飞行路径信息；定位单元202将实时自动监测到的无人机1的地理位置信息发送至信息处理单元200；障碍物监测单元203将自动实时监测到的障碍物信息发送至信息处理单元200；核辐射强度传感器204将自动实时监测到的区域内的核辐射强度监测结果及相关信息发送至信息处理单元200；图像采集单元205在获取辐射区域内的视频影像信息后进行存储，并实时传输给信息处理单元200；机械手单元206接收信息处理单元200发送的控制命令，并根据控制命令作出相应的动作；数据传输单元207与信息处理单元 200进行双向数据传输。
所述的地理位置信息包括：经度信息、纬度信息和海拔高度信息。
所述的障碍物信息包括障碍物和无人机1与障碍物的距离信息。
由于无人机1巡航过程路线是根据不同的环境地形进行相应的计算得到，无法保证巡航路线上不存在偶发的障碍物出现在飞行路径上，无人机1上搭载有障碍物监测单元203，发现障碍物后及时反馈给信息处理单元200，信息处理单元200和飞行控制单元201控制无人机1 作出相应的闪避动作，保障无人机1搜源时的飞行安全。
所述的飞行控制单元201控制无人机1按飞行路径在辐射区域内巡航，并在找到放射源后控制无人机1悬停。
所述的定位单元202可以采用差分GPS定位，也可以采用其他具有定位功能的芯片，能够精确定位无人机1所处的地理位置。
所述的障碍物监测单元203用于监测无人机1与飞行路径上的障碍物之间的距离，包括超声波测距传感器和深度图像摄像头。
所述的超声波测距传感器和图像摄像头位于无人机1的前、后、上、下、左和右，在六个方向上同时测量。
所述的信息处理单元200可以是微处理器、处理芯片或具有数据处理控制的微控制器。
所述的核辐射强度传感器204采用高低双探测器结构，高量程探测器进行高辐射强度的测量，低量程探测器进行低量程高灵敏度的测量，避免低量程探测器被高强度的辐射损伤。
所述的核辐射强度传感器204设有激光测距仪，测量核辐射强度传感器204采样时的离地高度，并将相应的距离信息发送至信息处理单元200。
所述的核辐射强度传感器204可以监测核辐射高速粒子α、β、γ射线。
所述的图像采集单元205为三轴高清云台摄像头，可水平旋转360°，垂直转动180°，并带有存储装置。
所述的机械手单元206为可水平旋转360°、前端有抓取部件、中部可弯曲的电子控制装置。
所述的机械手单元206通过旋转云台与无人机1相连，旋转云台控制机械手单元206 的转动。
所述的旋转云台由步进电机控制，并能控制机械手单元206进行360°转动进行抓取。
所述的数据传输单元207为可远距离传输数据信息的无线通信装置，如基于GSM、GPRS、 Wi-Fi、MSK或FSK/GFSK等信号调制原理的无线数据传输电台，用于定位及抓取装置2与地面站装置3之间的双向数据传输。
所述的双向数据传输是指：信息处理单元200打包整合定位单元202监测到的无人机1 地理位置信息、障碍物监测单元203监测到的障碍物信息、核辐射强度传感器204监测到的核辐射强度监测信息和图像采集单元205获取的视频影像信息的编码信息通过数据传输单元207 回传至地面站数据传输单元302，供应急处理人员实时了解***所处的状态；同时，应急处理人员将控制命令通过地面站数据传输单元302发送至数据传输单元207，信息处理单元200通过数据传输单元207接收控制命令并对其解析，通过飞行控制单元201控制无人机1飞行、机械手单元206控制对核辐射放射源的抓取。
所述的定位及抓取装置2是一种集成各设备的云台，用于监测核辐射区域中的辐射强度，以确定该区域内放射源的具***置。
本实施例包括以下步骤：
S1：在无人机1上安装好定位及抓取装置2和太阳能电力装置4，开启地面站装置3。
S2：信息处理单元200自行规划无人机1在核辐射区域内的飞行路径，飞行控制单元 201按照规划的路线控制无人机1在核辐射区域内飞行搜寻；无人机1搭载的核辐射强度传感器204和定位单元202处于连续工作状态，精确记录核辐射区域内不同位置的核辐射强度，并根据核辐射强度信号确定放射源的精确地理位置；障碍物监测单元203连续工作以监测无人机 1飞行路径上的障碍物信息，并将障碍物监测结果实时发送至信息处理单元200，如果飞行路径上存在障碍物威胁到无人机1的飞行安全，信息处理单元200及时规划闪避路线并控制无人机1进行相应的规避动作。
S3：无人机1飞行过程中，图像采集单元205连续采集无人机1周围的视频影像信息并发送至信息处理单元200，信息处理单元200对接收到的无人机1的飞行状态信息和监测信息整合，并通过数据传输单元207发送至地面站数据传输单元302，地面站数据传输单元302 将接收到的数据信息发送至地面站信息处理单元300，地面站信息处理单元300将接收到的信息解码并显示在人机交互单元301中，以供查看。飞行完成后，信息处理单元200会自动依据飞行过程中的记录数据获取辐射强度最高点的经纬度坐标信息，完成对放射源的精确定位。
S4：应急处理人员将机械手控制命令输入人机交互单元301，地面站信息处理单元300 将人机交互单元301传来的控制命令编码后经地面站数据传输单元302和数据传输单元207 传送至信息处理单元200进行解码，解码后的控制命令发送至飞行控制单元201，控制无人机 1在指定抓取地点悬停；发送至机械手单元206，机械手单元206进行相应的动作完成对放射源的抓取工作。
所述的信息处理单元200根据无人机1与障碍物的距离信息实时规划无人机1的飞行路径，防止碰撞。
本实施例通过飞行控制单元201控制无人机1在辐射区域内部巡航，同时核辐射强度传感器204和定位单元202同时记录区域内部不同位置的辐射强度信息，使得数据采集更精确高效。
上海交通大学已经与上海市辐射环境监督站一同对本发明实例进行了性能测试。在性能测试中，试验场长30米宽25米，无人机在测试场中以1m/s的速度在10m的高度模拟进行失控放射源搜寻，待搜寻的放射源为Ⅳ类放射源。
如图4所示为用于核辐射放射源定位及抓取的无人机***实物图。无人机经过自动搜索后，成功在待搜索放射源上方悬停并绘制出了如图5所示的测试区域内放射强度分布图。测试结果表明无人机***的位置测量误差在±1m内，搜源性能优良。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (8)
1.一种用于核辐射放射源定位及抓取的无人机***，其特征在于，包括：地面站装置、无人机、设置于无人机上的太阳能电力装置和定位及抓取装置，其中：太阳能电力装置为无人机、定位及抓取装置供能，地面站装置接收无人机和定位及抓取装置的信息，并向定位及抓取装置反馈应急处理人员的控制命令，控制无人机和定位及抓取装置在核辐射区域内进行放射源的定位和抓取。
2.根据权利要求1所述的无人机***，其特征是，所述的地面站装置包括：地面站信息处理单元、与地面站信息处理单元分别相连的人机交互单元和地面站数据传输单元，其中：地面站信息处理单元处理地面站数据传输单元接收到的数据，并将无人机的飞行状态信息和监测信息显示在人机交互单元中；
所述的飞行状态信息包括但不限于：飞行速度、飞行高度、飞行姿态和所处地理位置的经纬度；
所述的监测信息包括：飞行路径中的障碍物信息、核辐射强度实时监测结果和实时视频影像信息。
3.根据权利要求1所述的无人机***，其特征是，所述的太阳能电力装置包括：太阳能透镜单元和相应的太阳能电池板，其中：太阳能透镜单元聚集太阳光，太阳能电池板将获取到的太阳光的光能转化为电能。
4.根据权利要求1所述的无人机***，其特征是，所述的定位及抓取装置包括：信息处理单元、与信息处理单元分别进行信息交互的飞行控制单元、定位单元、障碍物监测单元、核辐射强度传感器、图像采集单元、机械手单元和数据传输单元，其中：飞行控制单元接收信息处理单元发送的飞行路径和无人机控制信息；定位单元将实时自动监测到的无人机的地理位置信息发送至信息处理单元；障碍物监测单元将自动实时监测到的障碍物信息发送至信息处理单元；核辐射强度传感器将自动实时监测到的区域内的核辐射强度监测结果、激光测距仪监测结果及相关信息发送至信息处理单元；图像采集单元在获取辐射区域内的视频影像信息后进行存储，并实时传输给信息处理单元；机械手单元接收信息处理单元发送的控制命令，并根据控制命令作出相应的动作；数据传输单元与信息处理单元进行双向数据传输；
所述的地理位置信息包括：经度信息、纬度信息和海拔高度信息；
所述的障碍物信息包括障碍物和无人机与障碍物的距离信息。
5.根据权利要求4所述的无人机***，其特征是，所述的核辐射强度传感器采用高低双探测器结构，高量程探测器进行高辐射强度的测量，低量程探测器进行低量程高灵敏度的测量，并且核辐射强度传感器设有激光测距仪，激光测距仪与信息处理单元相连。
6.根据权利要求4所述的无人机***，其特征是，所述的超声波测距传感器和图像摄像头位于无人机的前、后、上、下、左和右，在六个方向上同时测量。
7.一种基于上述任一权利要求所述无人机***的核辐射放射源的搜寻处置方法，其特征在于，首先通过无人机在核辐射区域内自动巡航检测，信息处理单元在实时与地面站装置进行无人机状态、控制和监测数据交互的同时根据接收到的无人机的飞行状态信息和监测信息确定放射源的精确位置，并发送至地面站装置；应急处理人员通过地面站装置的人机交互单元实时查看数据信息，并通过人机交互单元向地面站信息处理单元发送无人机和机械手的控制命令；无人机和机械手的控制命令在地面站信息处理单元编码后通过地面站数据传输单元发送至数据传输单元，经信息处理单元解码后向无人机和机械手单元发送控制命令，从而遥控无人机和机械手单元对放射源进行抓取。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，具体包括以下步骤：
S1：在无人机上安装好定位及抓取装置和太阳能电力装置，开启地面站装置；
S2：信息处理单元自行规划无人机在核辐射区域内的飞行路径，飞行控制单元按照规划的路线控制无人机在核辐射区域内飞行搜寻；无人机搭载的核辐射强度传感器和定位单元处于连续工作状态，精确记录核辐射区域内不同位置的核辐射强度，并根据核辐射强度信号确定放射源的精确地理位置；障碍物监测单元连续工作以监测无人机飞行路径上的障碍物信息，并将障碍物监测结果实时发送至信息处理单元，如果飞行路径上存在障碍物威胁到无人机的飞行安全，信息处理单元及时规划闪避路线并控制无人机进行相应的规避动作；
S3：无人机飞行过程中，图像采集单元连续采集无人机周围的视频影像信息并发送至信息处理单元，信息处理单元对接收到的无人机的飞行状态信息和监测信息整合，并通过数据传输单元发送至地面站数据传输单元，地面站数据传输单元将接收到的数据信息发送至地面站信息处理单元，地面站信息处理单元将接收到的信息解码并显示在人机交互单元中，以供查看；飞行完成后，信息处理单元会自动依据飞行过程中的记录数据获取辐射强度最高点的经纬度坐标信息，完成对放射源的精确定位；
S4：应急处理人员将机械手控制命令输入人机交互单元，地面站信息处理单元将人机交互单元传来的控制命令编码后经地面站数据传输单元和数据传输单元传送至信息处理单元进行解码，解码后的控制命令发送至飞行控制单元，控制无人机在指定抓取地点悬停；发送至机械手单元，机械手单元进行相应的动作完成对放射源的抓取工作。
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