一種實時3d核輻射環境重建監測系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明是一種將機器人學、核福射技術、核福射檢測技術和三維環境重建技術結 合而實現的實時3D核輻射環境重建監測系統，屬于計算機視覺和核輻射監測領域。
【背景技術】
[0002] 基于移動機器人平臺的三維激光雷達環境重建技術是涵蓋了機器人運動控制、多 傳感器信息融合、計算機視覺、模式識別等方向的綜合技術。
[0003] 三維激光雷達能夠快速、大面積的獲取被掃描對象的三維點云數據，從而進行三 維幾何重建。具體來說通過包括三維激光雷達在內的光學設備可以得到表征物體表面的大 量三維點云，即物體的三維圖形。但是由于光的線性傳播特性，光學設備每次只能測量到物 體局部坐標系下的部分表面，并且出現平移錯位和旋轉錯位。為了得到基準坐標系下的物 體完整表面的點云數據，需要對這些部分表面點云進行整合配準。點云配準就是尋找一種 三維空間變換使在不同視角下的三維坐標點云共同部分能夠正確地匹配和搭接，進而獲得 較好的三維重建效果。目前，點云數據配準的方式有三種：手動配準技術、依賴儀器的配準 技術和自動配準技術。通常所說的點云配準技術即是指最后一種自動配準技術。它包括初 始配準和精確配準兩步。如果初始配準不精確，就不能夠給精確配準提供良好的初值；如果 精確配準不精確，將會影響后續的三維重建效果。
[0004] 德國Andreas教授等開發了一系列移動機器人平臺用來進行室內外環境三維重 建方面的研宄。其中Irma3D輪式移動機器人通過Riegl VZ-400三維激光掃描儀獲取室 外環境的三維激光點云數據，提出一種6D SLAM算法實現大量激光測距值的注冊，采用 octree的數據存儲壓縮方式，并通過三維hough變換從大量點云中提取平面特征。這一移 動機器人平臺已在一座古建筑群內進行實際實驗，實現了高精度的三維場景重建。Kurt3D 移動機器人搭載了一臺經過改造的SICK三維激光掃描儀，利用機器人的六自由度位姿變 化來構建三維環境地圖。美國CMU機器人研宄中心的S. Thrun教授帶領團隊在移動機器人 三維環境建模方面開展了大量工作。他們在一臺Pioneer移動機器上安裝了兩臺激光測距 儀，前視激光用于二維平面上的定位與地圖創建，向上放置的激光在豎直平面內掃描，據此 提出一種實時的室內環境三維地圖創建方法。他們還提出了基于立體視覺和三維柵格地 閣的室內環境感知，在研發的Groundhog井下探測機器人平臺上，配備了激光測距傳感器、 夜視相機、氣體檢測儀和陀螺儀等，用以實現基于激光測距和圖像融合的三維環境建模，為 機器人在復雜井下場景的探測和操作提供了準確實時的導航信息。德國Tubingen大學的 Peter Biber等利用ActivMedia Peoplebot機器人平臺，給二維激光掃描儀增加了上下平 移裝置，并結合全景相機實現了室內三維環境模型的重建。美國Columbia大學在街區項目 (AVENUE project)中開發了一款導航機器人，配備了彩色相機、激光測距儀和GPS，在移動 過程中可以生成具有真實感的室外場景三維地圖。韓國Sangwoo Jo等構建了一個基于虛 擬現實的三維模型漫游系統，可以在電腦、網頁瀏覽器、移動設備上實時顯示移動機器人構 建的三維室內環境模型。
[0005] 核輻射技術是一門以原子核物理學和核化學為基礎，以反應堆、加速器和核輻射 探測為工具的綜合性強、應用面廣的現代科學技術。核輻射環境監測系統是輻射防護應急 及核安全的一個重要環節，建立實時的核輻射環境監測系統，能夠及時準確的向工作人員 提供環境輻射情況。目前，核輻射環境監測系統可分為以下兩大類：
[0006] 核輻射環境固定監測系統和核輻射環境移動監測系統；
[0007] 其中，核輻射環境固定監測系統一般建立在核電廠或者大型核設施的周圍。全國 已有三套針對核電廠核輻射環境固定監測系統，分別分布在廣東大亞灣/嶺澳核電站、秦 山核電基地和田灣核電站。秦山核電外圍環境Y輻射固定監測系統于2002年將投放使 用。該系統是一個分布式的數據采集、傳送、存儲、處理和分析的信息系統，整個系統分為三 個部分：現場監測站、秦山現場匯總站和杭州數據處理中心。廣東大亞灣核電站固定監測系 統主要由Y輻射監測站和廠區自動氣象站組成，該系統主要功能是對核電站正常運行和 應急狀態下的環境中Y輻射進行連續監測。
[0008] 核輻射環境移動監測系統是指核輻射探測儀器安裝在移動搭載平臺（車載、船 載、機載）上，可快速完成實時監測，獲取核輻射環境的劑量分布數據。美國是建立核應急 航空監測系統最早的國家，該系統由美國能源部以委托契約的方式委托給EG&G公司實際 運行。法國的核事故應急監測系統是由Valduc核研宄中心開發成功的，核應急航空檢測任 務也是由該中心承擔，使用的是直升飛機。加拿大和瑞典的核事故應急航空監測認為分別 是由各自國家的地質調查所或地質公司承擔的。車載核事故應急監測系統是目前使用較多 的一種移動監測方式，相比于航空應急監測系統成本降低很多。中國防化研宄院自行設計、 研制和生產的具有知識產權的移動輻射檢測車應用于路面本底y污染，由電力驅動，利用 GPS精確定位測量點坐標，對不同等級的熱點實施噴黃、紅警戒色劑。德國Target公司生產 的環境輻射檢測車，安裝配備了多種不同檢測器的便攜式或實驗室輻射監測系統，可隨時 隨地快速準確的進行放射性檢測和能譜分析。
[0009] 但是，盡管核輻射監測系統在核輻射環境中已開始應用，但要實時的重建輻射劑 量的3D空間分布，指導移動機器人完成安全地自主導航和高效地實現核任務的完成，還沒 有一個具體實際應用和合適解決方案。同時移動機器人在結構化的室內環境和非結構化的 室外環境進行三維環境建模很常見，但在核環境中進行三維環境建模就很少了。而核輻射 環境中基于移動機器人的3D環境建模技術和核輻射檢測技術的結合基本沒有。所以對機 器人在核輻射環境中輻射劑量的監測與核輻射環境重建是本發明要解決的主要問題。
【發明內容】
[0010] 本發明的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優 點。
[0011] 本發明還有一個目的是提供一種實時3D核輻射環境重建監測系統，其采用計算 機視覺技術、光學技術、核探測技術和傳感器技術等，為被監測核輻射環境建立具有劑量分 布的3D重建模型，實現了核輻射劑量分布的實時監測與可視化，讓工作人員能對被監測核 輻射環境各處的核輻射情況一目了然。
[0012] 為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了以下技術方案：
[0013] 一種實時3D核輻射環境重建監測系統，其用于實時建立被監測核輻射環境的3D 核車§射劑量分布，該系統包括：
[0014] 在參考坐標系下建立所述被監測核輻射環境的具有真實感的3D環境模型；
[0015] 通過移動機器人裝載的核輻射傳感器在所述參考坐標系下采集被監測核輻射環 境不同空間位置的核輻射劑量數據，并將所述核輻射劑量數據在參考坐標系下建立起被監 測核福射環境的核福射劑量模型；
[0016] 將被監測核輻射環境的核輻射劑量模型與被監測核輻射環境的3D環境模型在所 述參考坐標系下進行點對點的數據融合，建立出被監測核輻射環境的3D核輻射劑量分布。
[0017] 優選的是，所述建立所述被監測核輻射環境的具有真實感的3D環境模型包括：
[0018] 通過移動機器人裝載的單目攝像機和三維激光雷達分別獲取被監測核輻射環境 的多張近景攝影圖像和激光點云數據，并分別對單目攝像機和三維激光雷達進行標定使獲 得的多張近景攝影圖像對激光點云數據進行染色，然后對染色后的激光點云數據進行初始 配準和精確配準。
[0019] 優選的是，所述通過移動機器人裝載的核輻射傳感器在所述參考坐標系下采集被 監測核輻射環境不同空間位置的核輻射劑量數據中包括：先對核輻射傳感器進行標定得到 核輻射傳感器坐標系與所述參考坐標系之間的轉換關系。
[0020] 優選的是，所述實時3D核輻射環境重建監測系統還包括：通過移動機器人裝載的 熱紅外成像儀采集被監測核輻射環境的熱圖像，并對所述熱紅外成像儀進行標定得到熱紅 外成像儀坐標系與所述參考坐標系之間的轉換關系。
[0021] 優選的是，所述核輻射傳感器設置在所述熱紅外成像儀的正上方，對所述核輻射 傳感器進行標定的過程為：
[0022] 利用對所述熱紅外成像儀的標定結果以及核輻射傳感器與熱紅外成像儀在參考 坐標系上的高度差，求得核輻射傳感器坐標系與參考坐標系之間的轉換關系。
[0023] 優選的是，在進行點對點的數據融