楊冬黎， 楊 斌， 侯躍新

(1．東北石油大學計算機與信息技術學院，黑龍江大慶163318;2．黑龍江省科學院技術物理研究所，黑龍江哈爾濱150090)

0 引言

境復雜的核輻射區(qū)域執(zhí)行核輻射劑量監(jiān)測、放射源尋找等特殊任務，具有良好的機動性能和靈活性．

從20世紀90年代開始，國外就開展監(jiān)測支援機器人的研究．其中代表性的支援機器人有俄羅斯科學院機器人[1]與控制技術研究所研制的專門用于處理局部核事故的機器人，它采用履帶式結(jié)構(gòu)并搭載可遠程操控的機械手臂，能夠安全地尋找和轉(zhuǎn)移核事故中的伽馬放射源;日本福島核電站泄漏以后[2]，日本政府向災區(qū)投放核檢測專用的Monirobo機器人;美國研發(fā)的一種名為 Phoenix40－A的小型遙控飛行器[3]，已經(jīng)可以監(jiān)測所在區(qū)域的生物，甚至連人的呼吸都能監(jiān)測到．國內(nèi)有代表性的救援機器人多采用履帶式結(jié)構(gòu)，無法穿越復雜的地面環(huán)境，監(jiān)測能力又顯的不足．特別是針對核輻射監(jiān)測任務，該領域中很少有機器人具備核輻射檢測功能．

2 飛行監(jiān)測儀的總體設計方案

本文設計立足于對核輻射事故的應急監(jiān)測處理，將核輻射監(jiān)測儀表搭載于四旋翼飛行器之上構(gòu)成可移動飛行核輻射監(jiān)測儀器，代替救援人員來執(zhí)行核輻射監(jiān)測、丟失放射源尋找等任務，可避免核輻射對救援人員的放射性危害．同時由于飛行器體積較小且具備懸停、垂直起降、側(cè)飛、360度翻轉(zhuǎn)等特殊飛行能力，運動過程不受地形和地面障礙物等對飛行器行進過程的影響，從而可以深入到地形環(huán)

同時四旋翼飛行器旋翼間距較大且機身面積較大，上方和下方均可搭載其他物體，因此可將進行核輻射劑量監(jiān)測的中控單元至于機身上方，并與飛行器的飛行控制單元集成為一體，同時可共享飛行器的動力單元;通過GPS定位模塊可實現(xiàn)對飛行器飛行位置的定位跟蹤，并可將定位數(shù)據(jù)連同輻射劑量通過GPRS無線傳輸模塊發(fā)送至設置在核輻射事故應急處理中心的數(shù)據(jù)服務器中;由于核輻射事故應急處理飛行器屬于移動監(jiān)測儀器，且其內(nèi)部搭載的核輻射監(jiān)測核心電路及工作方式與移動放射源監(jiān)控終端儀表類似，因此可實現(xiàn)與輻射安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的無縫對接，把監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時傳回監(jiān)控管理中心．

3 飛行監(jiān)測儀的具體設計

飛行監(jiān)測儀的設計技術首先要考慮核輻射監(jiān)測儀在飛行中穩(wěn)定性的問題．其次，解決高壓模塊對無線控制信號的干擾．最后解決核輻射監(jiān)測儀器在飛行過程中與地面核輻射事故應急指揮中心監(jiān)控系統(tǒng)的交互問題．

為了保證飛行器行進過程的平衡性及穩(wěn)定性，和核監(jiān)測儀表在飛行狀態(tài)下的正常飛行，設計的飛行監(jiān)測儀采用四旋翼飛行器作為飛行載體，具有四個獨立的旋翼和驅(qū)動儀器．旋翼在機體的前后左右四個方向?qū)ΨQ分布，旋翼的半徑都相同且都處于同一水平高度．其中旋翼1和旋翼3按照逆時針旋轉(zhuǎn)，旋翼2和旋翼4按照順時針旋轉(zhuǎn)．在飛行監(jiān)測儀器的支架端對稱安裝四個電機，支架中間安放飛行控制計算機和外部設備．其飛行控制結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 四旋翼飛行控制結(jié)構(gòu)圖

設計時將核監(jiān)測儀器的電路與飛行器的控制電路整合到一起，有效降低了中控單元的體積，使飛行器的配重更加均衡保證飛行器飛行時的穩(wěn)定性，同時可以在支架下方掛載重量更多的物體．但是在電路整合設計方面要投入更多的人力和物力;在維護方面，如果核監(jiān)測電路或飛行器的控制電路有一個發(fā)生故障，則需要進行整體拆卸并對每一個部件進行排查從而增加維修的難度．

在核監(jiān)測部分采用GM(蓋革)計數(shù)管作為輻射劑量監(jiān)測儀器，并由高壓模塊為之提供工作的電壓，但對高壓模組工作時形成的電磁場進行屏蔽處理，防止其對無線控制信號的干擾，影響監(jiān)測儀器的飛行控制．在機身電路板上集成GPS(全球定位系統(tǒng))定位模塊以及無線GPRS(通用分組無線服務)模塊，通過GPS對飛行器的飛行位置進行定位跟蹤．要實現(xiàn)飛行器與監(jiān)控系統(tǒng)的雙向通信，可以考慮增加無線GPRS模塊作為二者溝通的途徑．利用無線GPRS模塊將計數(shù)管獲得的數(shù)據(jù)及定位數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到設置在核輻射事故應急指揮中心的數(shù)據(jù)服務器，并由放射源安全監(jiān)控管理系統(tǒng)調(diào)取數(shù)據(jù)顯示在基于GIS(地理信息系統(tǒng))發(fā)布的地圖上面，支持實時輻射劑量數(shù)據(jù)的查詢以及對輻射劑量分布情況的圖形、數(shù)據(jù)表格等多種方式的展示查詢，便于對核輻射事故影響范圍的評估以及制定應急處理預案．

4 結(jié)語

本文設計的飛行監(jiān)測儀將核監(jiān)測技術、物聯(lián)網(wǎng)技術以及飛控技術結(jié)合起來，不僅具有飛行器的懸停、翻轉(zhuǎn)功能，而且可以深入核輻射地區(qū)進行監(jiān)測，為人們及時傳遞有效數(shù)據(jù)，保障人民和周邊環(huán)境的安全．

[1] 日本研發(fā)出新型機器人監(jiān)測核電站廠房[EB/OL]．http://www．chinanews．com/gj/3723154．shtml．

[2] 金茂菁，曲忠萍，張桂華．國外工業(yè)機器人發(fā)展態(tài)勢分析[J]．機器人技術與應用．2001，(2):6－8．

[3] 姜錫洲．一種用于核輻射環(huán)境下的小型應急救援及監(jiān)測機器人[P]．中國:201010159760．9，2011 －11 －09．