基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統及方法

專利名稱：基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統及方法
技術領域：
本發明屬于放射性物質探測技術領域，涉及移動機器人、激光測距、圖像處理等多種技術，具體涉及一種基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統及方法。
背景技術：
在核安全、核廢物處置和核事故應急處理過程中，為妥善處置放射性污染源并恢復現場到安全狀態，必須首先發現并定位放射性污染源，之后再對污染源進行去污作業，也就是在機器人身上安裝上去污工具后，把具有放射性的物體從某個位置取出，并對放射性的物體進行密封、轉移和儲存。但在很多情況下，放射性污染源的準確位置和數量事先未知，這給安全可靠的污染源處理工作帶來很大的困難。如果找不到這些未知的放射源并及時地進行處理，那么周邊的自然環境將面臨極大的安全隱患，危及人類的生產和生活。另夕卜，核廢物處置和核事故應急處理現場一般處于較大的地理區域，要求放射源的定位方法適合便攜式，并支持無人操作。目前，國內外市場的放射源定位裝置較多，應用也比較廣泛。一類是對已知放射源進行定位的產品，通過在放射源某部位安裝信號發送裝置，然后采用無線通信的方式定位放射源；比如，申請號201120161938. 3和200920094347. I專利提到的裝置；顯然，這些不適用于定位未知放射源。另一類是對未知或者不確定放射源進行定位的產品，通過安裝射線探測器件來發現放射源。其傳統產品可對射線進行簡單的探測，并報告所處位置的輻射劑量信息，但不能找到放射源的準確方位。為解決該問題，出現了一些可定位放射源的裝置。比如，申請號200710308543. X專利提到了一種能定位放射源的裝置，根據兩次探測信號的差值確定放射源方位，但其手持式操作方法不適合無人操作。為支持移動的無人探測，出現了一些基于移動機器人的放射性探測系統。比如，美國FORSTER-MILLER公司研制的TALON型遙操作機器人，法國INTRA集團開發的ERASE型機器人等。在國內，申請號200810156538. 6和201010172517. O專利也提到了類似的產品，實現了放射性探測功能，但對如何準確定位放射源的問題并未做進一步設計。另外，在諸多放射性探測儀器中，伽瑪相機利用光學成像原理合成放射源的伽瑪能譜分布圖像，是放射源定位的很好選擇。但伽瑪相機通常被固定安裝在某處，對放射源進行測量分析，其移動和使用不夠靈活。申請號201010159760. 9專利提到了可搭載伽瑪相機的移動機器人，擴展了伽瑪相機的應用場合。但是，核廢物處置或者核應急處理現場的作業環境非常惡劣，如強烈的振動、濃密的塵埃、飛濺的碎片等等。如果機器人直接攜帶伽瑪相機定位放射源、現場作業可能危及精密而且昂貴的伽瑪相機，造成很大的經濟損失并耽誤現場工作。

發明內容
本發明的目的在于針對上述現有技術的不足之處，提供一種基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統及方法，不僅可以對未知放射性污染源進行準確定位，而且在卸載伽瑪相機的情況下仍能對放射性污染源進行重新定位，從而控制機器人執行核廢物處置和核事故應急處理作業，避免伽瑪相機因保護不當而被破壞的可能。為達到上述目的，本發明采取的技術方案是提供一種基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統，包括定位設備、定位通信設備、后臺通信設備、工作站、定位設備控制手柄；所述定位通信設備通過通信線纜與后臺通信設備連接；其特征在于所述定位設備包括云臺、激光測距儀、探測相機和伽瑪相機；所述云臺和激光測距儀均與定位通信設備的串口服務器相連接；所述探測相機與定位通信設備的視頻服務器連接；所述伽瑪相機與定位通信設備的伽瑪圖像采集器連接；所述視頻服務器、串口服務器和伽瑪圖像采集器均與交換機連接；所述工作站與后臺通信設備連接。所述工作站包括電腦主機和顯示屏；所述電腦主機設置有定位模塊和重定位模塊；所述定位模塊包括觀察點坐標測量模塊；所述重定位模塊包括污染源輪廓生產模塊。所述云臺上設置有鉛屏蔽罩和伽瑪相機安裝支架；所述激光測距儀和探測相機疊放在一起設置在鉛屏蔽罩內；所述伽瑪相機設置在伽瑪相機安裝支架內部。所述后臺通信設備包括交換機。一種基于遙操作裝置的放射性污染源定位方法，包括以下步驟A、在機器人身上安裝定位設備、定位通信設備、電源和線纜；B、機器人進入核輻射現場；C、定位，通過定位設備，對污染區域和污染源進行定位；D、機器人退場；機器人完成探測任務后，退出核輻射現場；E、卸載伽瑪相機，并安裝去污工具；機器人退出核輻射現場后，將云臺上的伽瑪相機卸載下來，并在機器人身上安裝上放射物去污工具；F、重定位，安裝上去污工具的機器人重新進入核輻射現場通過定位設備，對污染區域和污染源重定位；G、機器人去污作業；機器人根據定位設備重定位的污染區域和污染源，開始對核輻射污染物進行去污處理；H、繼續，工作人員根據定位的污染區域判斷是否繼續控制機器人去污作業，若繼續去污作業返回步驟F ;若不繼續去污作業則進入步驟I ;I、機器人退場，機器人完成去污作業后，退出核輻射現場。上述步驟A中，優選的實施方式是在機器人身上搭載一個臺式支架，然后利用固定螺釘將云臺固定在臺式支架上，再在鉛屏蔽罩內安裝激光測距儀和探測相機，在伽瑪相機安裝支架內安裝伽瑪相機；同時把定位通信設備、激光測距儀電源、探測相機電源、伽瑪相機電源和隔離變壓器固定在一個鉛層屏蔽的電氣箱內，并將電氣箱掛在機器人身上；激光測距儀電源、探測相機電源、伽瑪相機電源均與隔離變壓器連接；將機器人通信線纜和機器人電源線纜接入電氣箱箱體內，機器人通信線纜與定位通信設備的交換機連接；機器人電源線纜接入隔離變壓器；定位通信設備的交換機通過通信線纜與后臺通信設備的交換機連接。上述步驟C包括以下分步驟 Cl、通過伽瑪相機觀察輻射環境；機器人在核輻射現場通過伽瑪相機觀察周圍輻射環境，并判斷是不是污染區域；若是污染區域進入步驟C2 ;若不是污染區域，機器人通過伽瑪相機繼續觀測；
C2、污染區域定位，利用伽瑪相機找到污染源后，以機器人身上的定位設備的幾何中心為觀察點，并以觀察點為原點建立局部極坐標系，利用云臺、激光測距儀和探測相機測量空間信息和污染區域圖像；在現場尋找一特征點，利用云臺和激光測距儀分別測量這個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到這個特征點的距離，利用探測相機采集污染區域圖像，并以這個特征點為原點建立全局直角坐標系；在全局直角坐標系的三條軸線上尋找三個特征點，并利用云臺和激光測距儀測量三個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到三個特征點的距離；視頻服務器和串口服務器將污染區域圖像及四個特征點的空間信息傳送給定位通信設備的交換機轉換數據后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將污染區域圖像及四個特征點的空間信息轉換后傳送給工作站；
C3、污染源定位，利用伽瑪相機采集無輻射劑量信息的伽瑪圖像和有輻射劑量信息的伽瑪圖像，伽瑪圖像采集器將上述伽瑪相機采集的圖像數據信息傳送給定位通信設備的交換機轉換后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將上述伽瑪相機采集的圖像數據信息轉換后傳送給工作站；工作站將步驟C2得到的污染區域圖像及四個特征點的空間信息整合利用觀察點坐標測量模塊確定觀察點在全局直角坐標系下的坐標即觀察點坐標(X，Y，Z);由于在步驟C2中找到污染源后，機器人是靜止不動的，因此觀察點坐標(X，Y，Ζ)確定后，污染源的幾何方位也即確定；C4、繼續，工作人員根據輻射現場的情況判斷是否繼續控制機器人探測新的污染區域，若繼續探測新的污染區域返回步驟Cl ;若不繼續探測新的污染區域進入步驟D。上述步驟F包括以下分步驟F1、污染區域重定位，通過探測相機探測區域，并與步驟C2獲得的污染區域圖像對照；工作人員控制機器人利用云臺、激光測距儀和探測相機瞄準步驟C2確定的全局直角坐標系的原點；以機器人身上的定位設備的幾何中心為觀察點，并以觀察點為原點建立局部極坐標系；F2、繼續，若步驟Fl中探測相機探測的區域圖像與步驟C2獲得的污染區域圖像相同，則污染區域重定位任務完成，進入步驟F3 ;如若步驟Fl中探測相機探測的區域圖像與步驟C2獲得的污染區域圖像不相同，則沒有找到污染區域，需要繼續對污染區域重定位，返回步驟Fl ；F3、污染源重定位，步驟Fl中工作人員控制機器人找到步驟C2確定的全局直角坐標系的原點后，利用云臺和激光測距儀測量全局直角坐標系的原點相對于觀察點的轉角及觀察點到全局直角坐標系原點的距離；在全局直角坐標系的三條軸線上尋找三個特征點，并利用云臺和激光測距儀測量三個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到三個特征點的距離；串口服務器將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息傳送給定位通信設備的交換機轉換數據后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息轉換后傳送給工作站；工作站將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息整合利用觀察點坐標測量模塊確定觀察點在全局直角坐標系下的坐標即觀察點坐標{V ,V ,1' );工作站將步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Ζ)與本步驟得到的觀察點坐標(X' ,V ,1' )比較；若步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)與本步驟得到的觀察點坐標(X'，V , I') 一致，則機器人位置在步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)，此時利用探測相機采集污染源圖像；利用污染源輪廓生成模塊將步驟C3中得到的污染源的有輻射劑量信息的伽瑪圖像、無輻射劑量信息的伽瑪圖像及本步驟中利用探測相機采集的污染源圖像匹配得到污染源輪廓1，并把污染源輪廓I繪制在探測相機的視頻區域，作為工 作人員控制機器人去污時判斷污染源準確位置的依據；若步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)與本步驟得到的觀察點坐標(X' ,V ,1')不一致，根據本步驟得到的觀察點坐標(X' ,Y' ,1')相對于步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)的變化調整機器人的位置，并返回步驟F1。采用步驟C3和步驟F3中的觀察點坐標測量模塊確定觀察點坐標包括以下步驟a、開始，確定局部極坐標系，以機器人身上的定位設備的幾何中心為觀察點，并以觀察點為原點建立局部極坐標系；b、測量四個特征點的基本信息，在輻射現場中尋找一特征點，測量這個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到這個特征點的距離，并以這個特征點為原點建立全局直角坐標系；在全局直角坐標系的三條軸線上尋找三個特征點，并測量三個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到三個特征點的距離；由此得到四個特征點在局部極坐標系下的坐標；C、計算特征點在全局直角坐標系下的坐標，將四個特征點在局部極坐標系下的坐標轉換成局部直角坐標系下的坐標，并通過四個特征點在局部直角坐標系下的坐標計算出步驟b中除作為全局直角坐標系原點的特征點以外的三個特征點相對于全局直角坐標系原點的坐標；d、構建求取旋轉平移關系的矩陣計算式，利用步驟c得到的除作為全局直角坐標系原點的特征點以外的三個特征點在全局直角坐標系與局部直角坐標系下的坐標構建求取全局直角坐標系與局部直角坐標系的旋轉平移關系的矩陣計算式；e、獲得旋轉平移矩陣，通過步驟d求得全局直角坐標系與局部直角坐標系的旋轉平移關系，即獲得旋轉平移矩陣；f、根據旋轉平移矩陣推算觀察點坐標，步驟e得到的旋轉平移矩陣結合觀察點在局部直角坐標系下的坐標即可得到觀察點在全局直角坐標系下的坐標，即觀察點坐標；g、結束。步驟F3中利用污染源輪廓生成模塊得到污染源輪廓I的方法包括以下步驟h、從有輻射劑量信息的伽瑪圖像中提取污染源輪廓X ；i、將步驟h得到的污染源輪廓X和無輻射劑量信息的伽瑪圖像整合并處理得到污染源輪廓X包圍的圖像；j、利用SIFT算法分別從污染源輪廓X包圍的圖像和步驟F3利用探測相機采集的污染源圖像中提取出各自的特征點，并計算所有特征點的SIFT特征向量；k、利用步驟j得到的特征點的SIFT特征向量的歐式距離建立以特征點為根節點的平衡二叉樹；I、遍歷所有步驟k得到的特征點平衡二叉樹，根據最近鄰算法計算污染源輪廓X 包圍的圖像和步驟F3利用探測相機采集的污染源圖像匹配的特征點；m、利用ORSA算法消除步驟I中得到匹配特征點中的錯誤匹配點；η、經步驟m消除錯誤匹配點后的污染源輪廓x包圍的圖像與步驟F3利用探測相機采集的污染源圖像對應的匹配特征點根據最小二乘原理計算污染源輪廓X包圍的圖像到步驟F3利用探測相機采集的污染源圖像的仿射變換矩陣M ;如果能計算出M進入步驟P ；如果不能計算出M，將步驟h得到的污染源輪廓X向外擴張I 50像素并返回步驟i ;當擴張污染源輪廓X的次數大于設定的δ次，δ > 1，則污染源輪廓X包圍的圖像和步驟F3利用探測相機采集的污染源圖像匹配失敗，需要返回步驟A重新對污染區域和污染源定位；ρ、由仿射變換矩陣M計算出污染源輪廓X包圍的圖像經過變換后的對應步驟F3利用探測相機采集的污染源圖像上的污染源輪廓I。
本發明采用的鉛屏蔽罩具有抗輻射作用，可以用來保護激光測距儀和探測相機等敏感光學和電子器件。鉛屏蔽罩上設置有鉛玻璃窗口 ；探測相機通過鉛玻璃窗口采集圖像，激光測距儀通過鉛玻璃窗口發出激光。本發明提供的基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統及方法具有以下有益效果I、將機器人清理污染區域的過程分為兩個階段確定污染區域和污染源的位置和對污染區域內的污染源的處理；在確定污染區域和污染源的位置時，綜合應用激光測距儀、探測相機和伽瑪相機對污染區域和污染源進行精確定位，確定機器人作業的有效區域，提高工作效率；在對污染區域內的污染源的處理過程中，卸載伽瑪相機，確保伽瑪相機的安全，有效保護伽瑪相機；2、在卸載伽瑪相機后，仍可根據污染區域和污染源定位過程中采集的圖像，再利用激光測距儀和探測相機及污染源輪廓生成模塊對污染區域及污染源進行重新定位，進而為機器人清理污染源提供可靠依據；3、在污染區域和污染源定位過程中，利用觀察點坐標測量模塊可以對污染源準確定位;4、定位通信設備和后臺通信設備協調定位設備中激光測距儀、探測相機和伽瑪相機與工作站之間的通信，采用統一的遠距離數據傳輸方式與工作站保持通信連接；5、該放射性污染源定位系統設置有鉛屏蔽罩，可以有效保護激光測距儀、探測相機等貴重設備。


圖I為基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統的結構框圖。圖2為定位設備結構示意圖。圖3為基于遙操作裝置的放射性污染源定位方法流程圖。圖4為定位過程流程圖。圖5為重定位過程流程圖。圖6為觀察點坐標測量流程圖。圖7為伽瑪相機采集的污染區域有輻射劑量信息的伽瑪圖像的示意圖。圖8為探測相機采集的帶有污染源輪廓y的圖像的示意圖。其中，I、云臺；2、鉛屏蔽罩；3、激光測距儀；4、探測相機；5、伽瑪相機安裝支架；6、伽瑪相機。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行詳細的描述，但它們不是對本發明的進一步限制。
如圖I所示，該基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統，包括定位設備、定位通信設備、后臺通信設備、工作站和定位設備控制手柄；定位通信設備通過通信線纜與后臺通信設備連接；定位設備包括云臺I、激光測距儀3、探測相機4和伽瑪相機6 ;云臺I和激光測距儀3均與定位通信設備的串口服務器相連接；探測相機4與定位通信設備的視頻服務器連接；伽瑪相機6與定位通信設備的伽瑪圖像采集器連接；視頻服務器、串口服務器和伽瑪圖像采集器均與交換機連接；工作站與后臺通信設備連接。工作站包括電腦主機和顯示屏；電腦主機設置有定位模塊和重定位模塊；定位模塊包括觀察點坐標測量模塊；重定位模塊包括污染源輪廓生產模塊。后臺通信設備包括交換機。
如圖2所示，云臺I上設置有鉛屏蔽罩2和伽瑪相機安裝支架5 ;激光測距儀3和探測相機4疊放在一起設置在鉛屏蔽罩2內；伽瑪相機6設置在伽瑪相機安裝支架5內部。通過定位設備控制手柄，工作人員可以自如地向定位設備發出命令，快速完成各種測量動作調整云臺I、激光測距儀3、伽瑪相機安裝支架5和探測相機4的測量角度、轉動速度、鏡頭調焦等。如圖3所示，基于遙操作裝置的放射性污染源定位方法，包括以下步驟A、在機器人身上安裝定位設備、定位通信設備、電源和線纜；在機器人身上搭載一個臺式支架，然后利用固定螺釘將云臺I固定在臺式支架上，再在鉛屏蔽罩2內安裝激光測距儀3和探測相機4，在伽瑪相機安裝支架5內安裝伽瑪相機6 ;同時把定位通信設備、激光測距儀電源、探測相機電源、伽瑪相機電源和隔離變壓器固定在一個鉛層屏蔽的電氣箱內，并將電氣箱掛在機器人身上；激光測距儀電源、探測相機電源、伽瑪相機電源均與隔離變壓器連接；將機器人通信線纜和機器人電源線纜接入電氣箱箱體內，機器人通信線纜與定位通信設備的交換機連接；機器人電源線纜接入隔離變壓器；定位通信設備的交換機通過通信線纜與后臺通信設備的交換機連接；隔離變壓器分別為激光測距儀電源、探測相機電源、伽瑪相機電源、機器人電源提供220V交流電。B、機器人進入核輻射現場；C、定位，通過定位設備，對污染區域和污染源進行定位；D、機器人退場；機器人完成探測任務后，退出核輻射現場；E、卸載伽瑪相機，并安裝去污工具；機器人退出核輻射現場后，將云臺I上的伽瑪相機6卸載下來，并在機器人身上安裝上放射物去污工具；F、重定位，安裝上去污工具的機器人重新進入核輻射現場通過定位設備，對污染區域和污染源重定位；G、機器人去污作業；機器人根據定位設備重定位的污染區域和污染源，開始對核輻射污染物進行去污處理；H、繼續，工作人員根據定位的污染區域判斷是否繼續控制機器人去污作業，若繼續去污作業返回步驟F ;若不繼續去污作業則進入步驟I ;I、機器人退場，機器人完成去污作業后，退出核輻射現場。如圖4所示，機器人進入核輻射現場后的定位過程包括以下步驟Cl、通過伽瑪相機6觀察輻射環境；機器人在核輻射現場通過伽瑪相機6觀察周圍輻射環境，并判斷是不是污染區域；若是污染區域進入步驟C2 ;若不是污染區域，機器人通過伽瑪相機6繼續觀測；
C2、污染區域定位，利用伽瑪相機6找到污染源后，以機器人身上的定位設備的幾何中心為觀察點，并以觀察點為原點建立局部極坐標系，利用云臺I、激光測距儀3和探測相機4測量空間信息和污染區域圖像；在現場尋找一特征點，利用云臺I和激光測距儀3分別測量這個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到這個特征點的距離，利用探測相機4采集污染區域圖像，并以這個特征點為原點建立全局直角坐標系；在全局直角坐標系的三條軸線上尋找三個特征點，并利用云臺I和激光測距儀3測量三個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到三個特征點的距離；視頻服務器和串口服務器將污染區域圖像及四個特征點的空間信息(四個特征點在局部極坐標系下的坐標)傳送給定位通信設備的交換機轉換數據后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將污染區域圖像及四個特征點的空間信息(四個特征點在局部極坐標系下的坐標)轉換后傳送給工作站；C3、污染源定位，利用伽瑪相機6采集圖像I和圖像2 ;圖像I為有輻射劑量信息的伽瑪圖像，圖像2為無輻射劑量信息的伽瑪圖像；伽瑪圖像采集器將上述伽瑪相機6采集的圖像數據信息傳送給定位通信設備的交換機轉換后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將上述伽瑪相機6采集的圖像數據信息轉換后傳送給工作站；工作站將步驟C2得到的污染區域圖像及四個特征點的空間信息(四個特征點在局部極坐標系下的坐標)整合利用觀察點坐標測量模塊確定觀察點在全局直角坐標系下的坐標即觀察點坐標(X，Y，Z);由于在步驟C2中找到污染源后，機器人是靜止不動的，因此觀察點坐標(X，Y，Ζ)確定后，污染源的幾何方位也即確定；C4、繼續，工作人員根據輻射現場的情況判斷是否繼續控制機器人探測新的污染區域，若繼續探測新的污染區域返回步驟Cl ;若不繼續探測新的污染區域進入步驟D。如圖5所示，卸載伽瑪相機6后的機器人重新進入核輻射區域后的重定位過程包括以下步驟F1、污染區域重定位，通過探測相機4探測區域，并與步驟C2獲得的污染區域圖像對照；工作人員控制機器人利用云臺I、激光測距儀3和探測相機4瞄準步驟C2確定的全局直角坐標系的原點；以機器人身上的定位設備的幾何中心為觀察點，并以觀察點為原點建立局部極坐標系；F2、繼續，若步驟Fl中探測相機4探測的區域圖像與步驟C2獲得的污染區域圖像相同，則污染區域重定位任務完成，進入步驟F3 ;如若步驟Fl中探測相機4探測的區域圖像與步驟C2獲得的污染區域圖像不相同，則沒有找到污染區域，需要繼續對污染區域重定位，返回步驟Fl F3、污染源重定位，步驟Fl中工作人員控制機器人找到步驟C2確定的全局直角坐標系的原點后，利用云臺I和激光測距儀3測量全局直角坐標系的原點相對于觀察點的轉角及觀察點到全局直角坐標系原點的距離；在全局直角坐標系的三條軸線上尋找三個特征點，并利用云臺I和激光測距儀3測量三個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到三個特征點的距離；串口服務器將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息傳送給定位通信設備的交換機轉換數據后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息轉換后傳送給工作站；工作站將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息整合利用觀察點坐標測量模塊確定觀察點在全局直角坐標系下的坐標即觀察點坐標(X' ,Y' ,1');工作站將步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)與本步驟得到的觀察點坐標(X' ,V ,V )比較；若步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z) 與本步驟得到的觀察點坐標(X'，v ,I') 一致，則機器人位置在步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)，此時利用探測相機4采集污染源圖像；利用污染源輪廓生成模塊將步驟C3中得到的污染源的有輻射劑量信息的伽瑪圖像、無輻射劑量信息的伽瑪圖像及本步驟中利用探測相機4采集的污染源圖像匹配得到污染源輪廓1，并把污染源輪廓y繪制在探測相機4 的視頻區域，作為工作人員控制機器人去污時判斷污染源準確位置的依據；若步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)與本步驟得到的觀察點坐標(X' ,V ,1')不一致，根據本步驟得到的觀察點坐標(X' Λ' ,1')相對于步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)的變化調整機器人的位置，并返回步驟F1。如圖6所示，在定位過程的污染源定位中，采用觀察點坐標測量模塊確定觀察點坐標(X，Y，Z)包括以下步驟a、開始，確定局部極坐標系，以機器人身上的定位設備的幾何中心為觀察點，并以觀察點為原點建立局部極坐標系；b、測量四個特征點的基本信息，在輻射現場中尋找一特征點，利用云臺I和激光測距儀3測量這個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到這個特征點的距離[即得到這個特征點在局部極坐標下的坐標(Si,G1,φι)]，并以這個特征點為原點建立全局直角坐標系；在全局直角坐標系的三條軸線上尋找三個特征點，并測量三個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到三個特征點的距離[即得到三個特征點在局部極坐標下的坐標(S2,02，cp2)、(S3，e3，cp3)、(S4，04，cp4)];由此得到四個特征點在局部極坐標系下的坐標 (si,0i,9i)^ (S2,02,<P2)、(S3,03,(P3)、(S4,04,Cp4);串口服務器將四個特征點在局部極坐標系下的坐標傳送給定位通信設備的交換機轉換數據后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將四個特征點在局部極坐標系下的坐標轉換后傳送給工作站；C、計算特征點在全局直角坐標系下的坐標，工作站的觀察點測量模塊將四個特征點在局部極坐標系下的坐標[(sl,Ql,9l)、(S2,02,(p2)、(S3,Θ3,93)> (S4，04,Cp4)]轉換成局部直角坐標系下的坐標[(X1, Υι Z1)、(x2, J2, Z2)、(x3, y3, Z3)、(x4, y4, Z4)],并通過四個特征點在局部直角坐標系下的坐標[(X1, y1 Z1)、(x2, y2, z2)、(x3, y3, Z3)、(x4, y4, Z4)]計算出步驟b中除作為全局直角坐標系原點的特征點以外的三個特征點相對于全局直角坐標系原點的坐標[(X2，Y2, Z2)、(X3, Y3, Z3)、(X4, Y4, Z4)];由于除作為全局直角坐標系原點的特征點以外的三個特征點均選在全局直角坐標系的三條軸線上，所以Y2 = Z2 = X3 = Z3 = X4 = Y4 =O ；d、構建求取旋轉平移關系的矩陣計算式，利用步驟c得到的除作為全局直角坐標系原點的特征點以外的三個特征點在全局直角坐標系與局部直角坐標系下的坐標[(x2，y2， Z2)、(x3，y3，Z3)、(x4，y4，z4)、(X2, Y2, Z2)、(X3, Y3, Z3)、(X4, Y4, Z4)]構建求取全局直角坐標系與局部直角坐標系的旋轉平移關系的矩陣計算式；e、獲得旋轉平移矩陣，通過步驟d求得全局直角坐標系與局部直角坐標系的旋轉平移關系，即獲得旋轉平移矩陣；f、根據旋轉平移矩陣推算觀察點坐標，步驟e得到的旋轉平移矩陣結合觀察 點在局部直角坐標系下的坐標(0，0，0)即可得到觀察點在全局直角坐標系下的坐標(X，Y，Z)， 即觀察點坐標(X，Y，Z)；
g、結束。在重定位過程的污染源重定位中，采用觀察點坐標測量模塊確定觀察點坐標(X' ,Y' ,1')包括以下步驟a、開始，確定局部極坐標系，以機器人身上的定位設備的幾何中心為觀察點，并以觀察點為原點建立局部極坐標系；b、測量全局直角坐標系原點和三個特征點的基本信息，在輻射現場中尋找步驟C2確定的全局直角坐標系的原點后，利用云臺I和激光測距儀3測量全局直角坐標系的原點相對于觀察點的轉角及觀察點到全局直角坐標系原點的距離[即得到這個特征點在局部極坐標下的坐標(s/ ,θ/，φ/ )];在全局直角坐標系的三 條軸線上尋找三個特征點，并利用云臺和激光測距儀測量三個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到三個特征點的距離[即得到三個特征點在局部極坐標下的坐標(S2' ,θ2； ,92； )、(S3',93, )、(S4,，θ4'，φ4')];串口服務器將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息送給定位通信設備的交換機轉換數據后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息轉換后傳送給工作站；C、計算特征點在全局直角坐標系下的坐標，工作站的觀察點測量模塊將全局直角坐標系原點和三個特征點在局部極坐標系下的坐標[(S^ ,0/，φ/ )、(S2',θ2；，φ2' )、(S3' ,θ3, ,φ/ )、(s4, ,04, ,947 )]轉換成局部直角坐標系下的坐
標[(x/，y/ ,ζ/ )、(χ2' , y2' , ζ2' ) > (χ3; ,Z3' )、(χ/ , Ji'，ζ4')]，并通過全局直角坐標系原點和三個特征點在局部直角坐標系下的坐標[(χ/ ,I1' ,Z1' )、(x2,，Y2'，Z2' )、(χ/ , y3' ,Z3' )、(χ/ ,y/ , ζ/ )]計算出步驟b三個特征點相對于全局直角坐標系原點的坐標[(X2' ,V ,Z2' )、(X3' ,V，Z3' )、(x4, ,Yi'，z/ )];由于三個特征點均選在全局直角坐標系的三條軸線上，所以Y2' =Z2' =X3' =Z3' =X/ =
V= O ；d、構建求取旋轉平移關系的矩陣計算式，利用步驟c得到的除作為全局直角坐標系原點的特征點以外的三個特征點在全局直角坐標系與局部直角坐標系下的坐標[UZ ，Y21，z2' ) ,U31， ζ'，ζ3' )、(χ/，y/，ζ/ )、(V，\’，V )、(V，\'，V )、(X/，Y/，z/ )]構建求取全局直角坐標系與局部直角坐標系的旋轉平移關系的矩陣計算式；e、獲得旋轉平移矩陣，通過步驟d求得全局直角坐標系與局部直角坐標系的旋轉平移關系，即獲得旋轉平移矩陣；f、根據旋轉平移矩陣推算觀察點坐標，步驟e得到的旋轉平移矩陣結合觀察點在局部直角坐標系下的坐標(0，0，O)即可得到觀察點在全局直角坐標系下的坐標(X' ,V，
V)，即觀察點坐標(X' ,V ,V )；g、結束。污染區域觀察點坐標的確立可以在污染區域中尋找四個特征點，并利用云臺I、激光測距儀3和探測相機4探測四個特征點的基本信息，再利用上述方法確定污染區域的觀察點在全局直角坐標系下的坐標，即觀察點坐標；獲得觀察點坐標的優選實施方式是將一個特征點選在一個立體角的頂點處，并將其作為全局直角坐標系的原點，另外三個特征點選在上述立體角的三條邊上；由于立體角的單邊兩兩相互垂直，因此，另外三個特征點位于全局直角坐標系的三條軸線上，這樣可以簡化步驟C里邊涉及到的計算。步驟F3中利用污染源輪廓生成模塊得到污染源輪廓y的方法包括以下步驟h、從有輻射劑量信息的伽瑪圖像中提取污染源輪廓X ；i、將步驟h得到的污染源輪廓X和無輻射劑量信息的伽瑪圖像整合并處理得到污染源輪廓X包圍的圖像；j、利用SIFT算法分別從污染源輪廓X包圍的圖像和步驟F3利用探測相機4采集的污染源圖像中提取出各自的特征點，并計算所有特征點的SIFT特征向量；k、利用步驟j得到的特征點的SIFT特征向量的歐式距離建立以特征點為根節點的平衡二叉樹；I、遍歷所有步驟k得到的特征點平衡二叉樹，根據最近鄰算法計算污染源輪廓X 包圍的圖像和步驟F3利用探測相機4采集的污染源圖像匹配的特征點； m、利用ORSA算法消除步驟I中得到匹配特征點中的錯誤匹配點；η、經步驟m消除錯誤匹配點后的污染源輪廓x包圍的圖像與步驟F3利用探測相機4采集的污染源圖像對應的匹配特征點根據最小二乘原理計算污染源輪廓X包圍的圖像到步驟F3利用探測相機4采集的污染源圖像的仿射變換矩陣M ;如果能計算出M進入步驟 P ;如果不能計算出M，將步驟h得到的污染源輪廓X向外擴張I 50像素并返回步驟i ;當擴張污染源輪廓X的次數大于設定的δ次，δ > 1，則污染源輪廓X包圍的圖像和步驟F3 利用探測相機4采集的污染源圖像匹配失敗，需要返回步驟A重新對污染區域和污染源定位；ρ、由仿射變換矩陣M計算出污染源輪廓X包圍的圖像經過變換后的對應步驟F3 利用探測相機4采集的污染源圖像上的污染源輪廓I。圖7為步驟C定位過程中，利用伽瑪相機6采集的有輻射劑量信息的伽瑪圖像的示意圖，劑量分布區域表明污染源存放在廢料桶中；圖8為步驟F重定位過程中，探測相機 4采集的帶有污染源輪廓y的圖像的示意圖，黑色輪廓標識出污染源位置，是利用污染源輪廓生成模塊形成、并將污染源輪廓I繪制在探測相機4上的視頻區域；圖7和圖8來源于同一污染源，重定位過程中，操作人員根據定位時采集的伽瑪圖像找到污染源。可見，機器人在沒有伽瑪相機6的指導下，可以根據污染源輪廓y來判斷污染源的位置，并對污染源進行去污處理。利用本發明提供的放射性污染源定位系統及方法，可以在有效保護伽瑪相機6 的同時，我們仍可以對污染源進行準確定位，并加以處理；為探索如何定位放射性污染源提供了新的方法。
權利要求
1.一種基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統，包括定位設備、定位通信設備、后臺通信設備、工作站、定位設備控制手柄；所述定位通信設備通過通信線纜與后臺通信設備連接；其特征在于所述定位設備包括云臺(I)、激光測距儀(3)、探測相機(4)和伽瑪相機(6);所述云臺(I)和激光測距儀(3)均與定位通信設備的串口服務器相連接；所述探測相機⑷與定位通信設備的視頻服務器連接；所述伽瑪相機(6)與定位通信設備的伽瑪圖像采集器連接；所述視頻服務器、串口服務器和伽瑪圖像采集器均與交換機連接；所述工作站與后臺通信設備連接。
2.根據權利要求I所述的基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統，其特征在于所述工作站包括電腦主機和顯示屏；所述電腦主機設置有定位模塊和重定位模塊；所述定位模塊包括觀察點坐標測量模塊；所述重定位模塊包括污染源輪廓生產模塊。
3.根據權利要求I所述的基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統，其特征在于所述云臺(I)上設置有鉛屏蔽罩(2)和伽瑪相機安裝支架(5);所述激光測距儀(3)和探測相機(4)疊放在一起設置在鉛屏蔽罩(2)內；所述伽瑪相機(6)設置在伽瑪相機安裝支架(5)內部。
4.根據權利要求I所述的基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統，其特征在于所述后臺通信設備包括交換機。
5.一種基于遙操作裝置的放射性污染源定位方法，其特征在于包括以下步驟A、在機器人身上安裝定位設備、定位通信設備、電源和線纜；B、機器人進入核輻射現場；C、定位，通過定位設備，對污染區域和污染源進行定位；D、機器人退場；機器人完成探測任務后，退出核輻射現場；E、卸載伽瑪相機，并安裝去污工具；機器人退出核輻射現場后，將云臺(I)上的伽瑪相機(6)卸載下來，并在機器人身上安裝上放射物去污工具；F、重定位，安裝上去污工具的機器人重新進入核輻射現場通過定位設備，對污染區域和污染源重定位；G、機器人去污作業；機器人根據定位設備重定位的污染區域和污染源，開始對核輻射污染物進行去污處理；H、繼續，工作人員根據定位的污染區域判斷是否繼續控制機器人去污作業，若繼續去污作業返回步驟F ;若不繼續去污作業則進入步驟I ;I、機器人退場，機器人完成去污作業后，退出核輻射現場。
6.根據權利要求5所述的基于遙操作裝置的放射性污染源定位方法，其特征在于步驟A中，優選的實施方式是在機器人身上搭載一個臺式支架，然后利用固定螺釘將云臺(I) 固定在臺式支架上，再在鉛屏蔽罩(2)內安裝激光測距儀(3)和探測相機(4)，在伽瑪相機安裝支架(5)內安裝伽瑪相機(6);同時把定位通信設備、激光測距儀電源、探測相機電源、 伽瑪相機電源和隔離變壓器固定在一個鉛層屏蔽的電氣箱內，并將電氣箱掛在機器人身上；激光測距儀電源、探測相機電源、伽瑪相機電源均與隔離變壓器連接；將機器人通信線纜和機器人電源線纜接入電氣箱箱體內，機器人通信線纜與定位通信設備的交換機連接； 機器人電源線纜接入隔離變壓器；定位通信設備的交換機通過通信線纜與后臺通信設備的交換機連接。
7.根據權利要求5所述的基于遙操作裝置的放射性污染源定位方法，其特征在于步驟C包括以下分步驟 Cl、通過伽瑪相機(6)觀察輻射環境；機器人在核輻射現場通過伽瑪相機(6)觀察周圍輻射環境，并判斷是不是污染區域；若是污染區域進入步驟C2 ;若不是污染區域，機器人通過伽瑪相機(6)繼續觀測； C2、污染區域定位，利用伽瑪相機(6)找到污染源后，以機器人身上的定位設備的幾何中心為觀察點，并以觀察點為原點建立局部極坐標系，利用云臺(I)、激光測距儀(3)和探測相機(4)測量空間信息和污染區域圖像；在現場尋找一特征點，利用云臺(I)和激光測距儀(3)分別測量這個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到這個特征點的距離，利用探測相機(4)采集污染區域圖像，并以這個特征點為原點建立全局直角坐標系；在全局直角坐標系的三條軸線上尋找三個特征點，并利用云臺(I)和激光測距儀(3)測量三個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到三個特征點的距離；視頻服務器和串口服務器將污染區域圖像及四個特征點的空間信息傳送給定位通信設備的交換機轉換數據后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將污染區域圖像及四個特征點的空間信息轉換后傳送給工作站； C3、污染源定位，利用伽瑪相機(6)采集無輻射劑量信息的伽瑪圖像和有輻射劑量信息的伽瑪圖像，伽瑪圖像采集器將上述伽瑪相機(6)采集的圖像數據信息傳送給定位通信設備的交換機轉換后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將上述伽瑪相機(6)采集的圖像數據信息轉換后傳送給工作站；工作站將步驟C2得到的污染區域圖像及四個特征點的空間信息整合利用觀察點坐標測量模塊確定觀察點在全局直角坐標系下的坐標即觀察點坐標(X，Y，Z);由于在步驟C2中找到污染源后，機器人是靜止不動的，因此觀察點坐標(X，Y，Ζ)確定后，污染源的幾何方位也即確定； C4、繼續，工作人員根據輻射現場的情況判斷是否繼續控制機器人探測新的污染區域，若繼續探測新的污染區域返回步驟Cl ;若不繼續探測新的污染區域進入步驟D。
8.根據權利要求5所述的基于遙操作裝置的放射性污染源定位方法，其特征在于步驟F包括以下分步驟 F1、污染區域重定位，通過探測相機(4)探測區域，并與步驟C2獲得的污染區域圖像對照；工作人員控制機器人利用云臺(I)、激光測距儀(3)和探測相機(4)瞄準步驟C2確定的全局直角坐標系的原點；以機器人身上的定位設備的幾何中心為觀察點，并以觀察點為原點建立局部極坐標系； F2、繼續，若步驟Fl中探測相機(4)探測的區域圖像與步驟C2獲得的污染區域圖像相同，則污染區域重定位任務完成，進入步驟F3 ;如若步驟Fl中探測相機(4)探測的區域圖像與步驟C2獲得的污染區域圖像不相同，則沒有找到污染區域，需要繼續對污染區域重定位，返回步驟Fl ； F3、污染源重定位，步驟Fl中工作人員控制機器人找到步驟C2 確定的全局直角坐標系的原點后，利用云臺(I)和激光測距儀(3)測量全局直角坐標系的原點相對于 觀察點的轉角及觀察點到全局直角坐標系原點的距離；在全局直角坐標系的三條軸線上尋找三個特征點，并利用云臺(I)和激光測距儀(3)測量三個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到三個特征點的距離；串口服務器將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息傳送給定位通信設備的交換機轉換數據后通過通信線纜傳送給后臺通信設備，后臺通信設備的交換機將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息轉換后傳送給工作站；工作站將全局直角坐標系原點和三個特征點的空間信息整合利用觀察點坐標測量模塊確定觀察點在全局直角坐標系下的坐標即觀察點坐標(X' ,Y' ,1');工作站將步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)與本步驟得到的觀察點坐標{V ,V ,1' )比較；若步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)與本步驟得到的觀察點坐標(X' ,V ,1' ) 一致，則機器人位置在步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)，此時利用探測相機(4)采集污染源圖像；利用污染源輪廓生成模塊將步驟C3中得到的污染源的有輻射劑量信息的伽瑪圖像、無輻射劑量信息的伽瑪圖像及本步驟中利用探測相機(4)采集的污染源圖像匹配得到污染源輪廓y，并把污染源輪廓y繪制在探測相機(4)的視頻區域，作為工作人員控 制機器人去污時判斷污染源準確位置的依據；若步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)與本步驟得到的觀察點坐標{V ,V ,V )不一致，根據本步驟得到的觀察點坐標(X' Λ' ,V )相對于步驟C3確定的觀察點坐標(X，Y，Z)的變化調整機器人的位置，并返回步驟F1。
9.根據權利要求7所述的基于遙操作裝置的放射性污染源定位方法，其特征在于采用步驟C3和步驟F3中的觀察點坐標測量模塊確定觀察點坐標包括以下步驟 a、開始，確定局部極坐標系，以機器人身上的定位設備的幾何中心為觀察點，并以觀察點為原點建立局部極坐標系； b、測量四個特征點的基本信息，在輻射現場中尋找一特征點，測量這個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到這個特征點的距離，并以這個特征點為原點建立全局直角坐標系；在全局直角坐標系的三條軸線上尋找三個特征點，并測量三個特征點相對于觀察點的轉角及觀察點到三個特征點的距離；由此得到四個特征點在局部極坐標系下的坐標； C、計算特征點在全局直角坐標系下的坐標，將四個特征點在局部極坐標系下的坐標轉換成局部直角坐標系下的坐標，并通過四個特征點在局部直角坐標系下的坐標計算出步驟b中除作為全局直角坐標系原點的特征點以外的三個特征點相對于全局直角坐標系原點的坐標； d、構建求取旋轉平移關系的矩陣計算式，利用步驟c得到的除作為全局直角坐標系原點的特征點以外的三個特征點在全局直角坐標系與局部直角坐標系下的坐標構建求取全局直角坐標系與局部直角坐標系的旋轉平移關系的矩陣計算式； e、獲得旋轉平移矩陣，通過步驟d求得全局直角坐標系與局部直角坐標系的旋轉平移關系，即獲得旋轉平移矩陣； f、根據旋轉平移矩陣推算觀察點坐標，步驟e得到的旋轉平移矩陣結合觀察點在局部直角坐標系下的坐標即可得到觀察點在全局直角坐標系下的坐標，即觀察點坐標； g、結束。
10.根據權利要求8所述的基于遙操作裝置的放射性污染源定位方法，其特征在于步驟F3中利用污染源輪廓生成模塊得到污染源輪廓y的方法包括以下步驟 h、從有輻射劑量信息的伽瑪圖像中提取污染源輪廓X； i、將步驟h得到的污染源輪廓X和無輻射劑量信息的伽瑪圖像整合并處理得到污染源輪廓X包圍的圖像； j、利用SIFT算法分別從污染源輪廓X包圍的圖像和步驟F3利用探測相機(4)采集的污染源圖像中提取出各自的特征點，并計算所有特征點的SIFT特征向量；k、利用步驟j得到的特征點的SIFT特征向量的歐式距離建立以特征點為根節點的平衡二叉樹；I、遍歷所有步驟k得到的特征點平衡二叉樹，根據最近鄰算法計算污染源輪廓X包圍的圖像和步驟F3利用探測相機(4)采集的污染源圖像匹配的特征點； m、利用ORSA算法消除步驟I中得到匹配特征點中的錯誤匹配點； n、經步驟m消除錯誤匹配點后的污染源輪廓X包圍的圖像與步驟F3利用探測相機(4) 采集的污染源圖像對應的匹配特征點根據最小二乘原理計算污染源輪廓X包圍的圖像到步驟F3利用探測相機(4)采集的污染源圖像的仿射變換矩陣M ;如果能計算出M進入步驟 P ;如果不能計算出M，將步驟h得到的污染源輪廓X向外擴張I 50像素并返回步驟i ;當擴張污染源輪廓X的次數大于設定的S次，S > 1，則污染源輪廓X包圍的圖像和步驟F3 利用探測相機(4)采集的污染源圖像匹配失敗，需要返回步驟A重新對污染區域和污染源定位; P、由仿射變換矩陣M計算出污染源輪廓X包圍的圖像經過變換后的對應步驟F3利用探測相機(4)采集的污染源圖像上的污染源輪廓y。
全文摘要
本發明公開了一種基于遙操作裝置的放射性污染源定位系統及方法，該放射性污染源定位系統包括定位設備、定位通信設備、后臺通信設備、工作站、定位設備控制手柄；定位通信設備通過通信線纜與后臺通信設備連接。該放射性污染源定位方法首先控制機器人進入核輻射現場通過激光測距儀、云臺、探測相機和伽瑪相機尋找污染區域，并對污染區域和污染源進行定位；在卸載伽瑪相機后，控制機器人再次進入核輻射現場，通過激光測距儀、云臺、探測相機和工作站對污染區域和污染源重定位，并對重定位的污染源進行去污作業。該放射性污染源定位系統及方法在有效保護伽瑪相機的同時，通過定位和重定位精確確定污染區域和污染源，輔助機器人有效執行去污作業。
文檔編號G01S5/16GK102621525SQ20121005091
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者馮杰, 劉滿祿, 姜軍, 張華 , 張江梅, 李磊民, 楊濤, 王姮, 肖宇峰 申請人:西南科技大學