面向核輻射領(lǐng)域的飛行監(jiān)測(cè)儀的研究與設(shè)計(jì)①

楊冬黎， 楊 斌， 侯躍新

(1．東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江大慶163318;2．黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，黑龍江哈爾濱150090)

0 引言

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

從20世紀(jì)90年代開始，國(guó)外就開展監(jiān)測(cè)支援機(jī)器人的研究．其中代表性的支援機(jī)器人有俄羅斯科學(xué)院機(jī)器人[1]與控制技術(shù)研究所研制的專門用于處理局部核事故的機(jī)器人，它采用履帶式結(jié)構(gòu)并搭載可遠(yuǎn)程操控的機(jī)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?yàn)?zāi)區(qū)投放核檢測(cè)專用的Monirobo機(jī)器人;美國(guó)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(cè)所在區(qū)域的生物，甚至連人的呼吸都能監(jiān)測(cè)到．國(guó)內(nèi)有代表性的救援機(jī)器人多采用履帶式結(jié)構(gòu)，無法穿越復(fù)雜的地面環(huán)境，監(jiān)測(cè)能力又顯的不足．特別是針對(duì)核輻射監(jiān)測(cè)任務(wù)，該領(lǐng)域中很少有機(jī)器人具備核輻射檢測(cè)功能．

2 飛行監(jiān)測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)立足于對(duì)核輻射事故的應(yīng)急監(jiān)測(cè)處理，將核輻射監(jiān)測(cè)儀表搭載于四旋翼飛行器之上構(gòu)成可移動(dòng)飛行核輻射監(jiān)測(cè)儀器，代替救援人員來執(zhí)行核輻射監(jiān)測(cè)、丟失放射源尋找等任務(wù)，可避免核輻射對(duì)救援人員的放射性危害．同時(shí)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(yùn)動(dòng)過程不受地形和地面障礙物等對(duì)飛行器行進(jìn)過程的影響，從而可以深入到地形環(huán)

同時(shí)四旋翼飛行器旋翼間距較大且機(jī)身面積較大，上方和下方均可搭載其他物體，因此可將進(jìn)行核輻射劑量監(jiān)測(cè)的中控單元至于機(jī)身上方，并與飛行器的飛行控制單元集成為一體，同時(shí)可共享飛行器的動(dòng)力單元;通過GPS定位模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)置在核輻射事故應(yīng)急處理中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器中;由于核輻射事故應(yīng)急處理飛行器屬于移動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，且其內(nèi)部搭載的核輻射監(jiān)測(cè)核心電路及工作方式與移動(dòng)放射源監(jiān)控終端儀表類似，因此可實(shí)現(xiàn)與輻射安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的無縫對(duì)接，把監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回監(jiān)控管理中心．

3 飛行監(jiān)測(cè)儀的具體設(shè)計(jì)

飛行監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)技術(shù)首先要考慮核輻射監(jiān)測(cè)儀在飛行中穩(wěn)定性的問題．其次，解決高壓模塊對(duì)無線控制信號(hào)的干擾．最后解決核輻射監(jiān)測(cè)儀器在飛行過程中與地面核輻射事故應(yīng)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(jìn)過程的平衡性及穩(wěn)定性，和核監(jiān)測(cè)儀表在飛行狀態(tài)下的正常飛行，設(shè)計(jì)的飛行監(jiān)測(cè)儀采用四旋翼飛行器作為飛行載體，具有四個(gè)獨(dú)立的旋翼和驅(qū)動(dòng)儀器．旋翼在機(jī)體的前后左右四個(gè)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼2和旋翼4按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)．在飛行監(jiān)測(cè)儀器的支架端對(duì)稱安裝四個(gè)電機(jī)，支架中間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)將核監(jiān)測(cè)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(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)可以在支架下方掛載重量更多的物體．但是在電路整合設(shè)計(jì)方面要投入更多的人力和物力;在維護(hù)方面，如果核監(jiān)測(cè)電路或飛行器的控制電路有一個(gè)發(fā)生故障，則需要進(jìn)行整體拆卸并對(duì)每一個(gè)部件進(jìn)行排查從而增加維修的難度．

在核監(jiān)測(cè)部分采用GM(蓋革)計(jì)數(shù)管作為輻射劑量監(jiān)測(cè)儀器，并由高壓模塊為之提供工作的電壓，但對(duì)高壓模組工作時(shí)形成的電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽處理，防止其對(duì)無線控制信號(hào)的干擾，影響監(jiān)測(cè)儀器的飛行控制．在機(jī)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(wù))模塊，通過GPS對(duì)飛行器的飛行位置進(jìn)行定位跟蹤．要實(shí)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(jì)數(shù)管獲得的數(shù)據(jù)及定位數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到設(shè)置在核輻射事故應(yīng)急指揮中心的數(shù)據(jù)服務(wù)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(shí)時(shí)輻射劑量數(shù)據(jù)的查詢以及對(duì)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(duì)核輻射事故影響范圍的評(píng)估以及制定應(yīng)急處理預(yù)案．

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的飛行監(jiān)測(cè)儀將核監(jiān)測(cè)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及飛控技術(shù)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，為人們及時(shí)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(jī)器人監(jiān)測(cè)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(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J]．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用．2001，(2):6－8．

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