定向探測器協(xié)同四足機(jī)器人的γ放射源搜尋技術(shù)研究

關(guān)鍵詞：陣列探測器;空間定向;γ 放射源搜尋;四足機(jī)器人

隨著放射源在工業(yè)、醫(yī)療、能源、軍事、環(huán)保等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)、服役、退役過程中的輻射安全監(jiān)控也日益重要。近年來，各種輻射事故在我國時(shí)有發(fā)生[1] 。為了對失控放射源的位置和狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，減少放射源遺失、非法核走私等事件的發(fā)生，在輻射安全領(lǐng)域發(fā)展高效、精準(zhǔn)的放射源搜尋技術(shù)迫在眉睫。

目前遺失放射源的搜尋載體主要有現(xiàn)場手持儀表尋源[2] 、車載輻射監(jiān)測尋源[3] 和機(jī)載輻射測量尋源[4] 等方法?，F(xiàn)場手持包括α、β、γ 測量儀等進(jìn)行地毯式搜尋方法，簡單且成本較低。但從輻射防護(hù)與核應(yīng)急的角度考慮，工作人員的受輻照風(fēng)險(xiǎn)很高，應(yīng)急處置效率較低。近年來，基于機(jī)器小車、無人機(jī)、機(jī)器狗等智能移動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展，結(jié)合參數(shù)估計(jì)[5] 、十字定位[5] 、粒子濾波[6-7] 、貝葉斯回歸[8] 等定位算法對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，放射源搜尋的智能化水平顯著提高，搜尋人員的安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之降低。

用于伽馬放射源搜尋的設(shè)備可分為以下幾類：第一種是無方向敏感性的劑量儀、能譜儀等[9] ，該類設(shè)備實(shí)現(xiàn)二維或三維放射源定位，需要搭載如機(jī)器小車、無人機(jī)等載體移動(dòng)測量[10] ;第二種是裝有屏蔽準(zhǔn)直的探測器，裝載在云臺(tái)或機(jī)器人平臺(tái)上，通過旋轉(zhuǎn)可以指示放射源方向[11] ，但加裝屏蔽體會(huì)大大增加探測器的體積和重量;第三種是放射源成像設(shè)備，如編碼孔相機(jī)和康普頓相機(jī)[12-14] ，該類設(shè)備具有角度分辨率高、定向精度高等特點(diǎn)，但該類設(shè)備的靈敏體積相對較小，成像需要較長時(shí)間，且設(shè)備成本較高;第四種設(shè)備是具備方向敏感性的陣列式探測器，該類設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、靈敏體積大，主要用于放射源水平面定向?yàn)橹鱗15-18] ;也可以通過提高陣列維度[19] 或增加雙端讀出[20] 以實(shí)現(xiàn)空間放射源定向的探測器，同時(shí)通過搭載機(jī)器人等能夠?qū)崿F(xiàn)二維或三維放射源定位。

本文以結(jié)構(gòu)簡單的2×2 陣列式定向探測器為切入點(diǎn)，研究放射源空間定向算法，而后將核探測技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)交叉融合，研究定向探測器與機(jī)器狗相結(jié)合的三維空間放射源定位算法，實(shí)現(xiàn)更高效、安全的放射源搜尋。其中機(jī)器狗采用了穩(wěn)定性好、集成度高的宇樹商用機(jī)器狗Unitree A1，可以在開闊的平地、較崎嶇的石板路等多種場景行動(dòng)自如，靈活性和環(huán)境適應(yīng)性高，可以較好地代替工作人員進(jìn)入失控放射源可能存在的區(qū)域。同時(shí)我們還開發(fā)了相應(yīng)的上位機(jī)軟件，可以實(shí)現(xiàn)界面友好的機(jī)器狗運(yùn)動(dòng)控制、探測器定向結(jié)果實(shí)時(shí)指示、SLAM定位建圖等功能，提高放射源搜尋效率。

1 系統(tǒng)框架介紹

本文以機(jī)器人操作系統(tǒng)[21] （Robot OperatingSystem，ROS）作為編程框架，針對放射源定位所需的功能模塊進(jìn)行相應(yīng)開發(fā)，具備機(jī)器狗運(yùn)動(dòng)控制、放射源定位、分布式多機(jī)通信等功能。

設(shè)備的系統(tǒng)框架如圖1 中（a）所示。硬件分為定向探測器模塊、機(jī)器狗模塊和用戶PC 端模塊，其中定向探測器搭載在機(jī)器狗上，實(shí)物圖如圖1（b）所示。定向探測器采用單個(gè)尺寸為24 mm×24 mm×48 mm 的CsI（Na）閃爍晶體，組成一個(gè)邊長為48 mm 的2×2 立方體陣列探測器，4 塊晶體分別經(jīng)由光學(xué)墊片耦合4 片SiPM 陣列實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，而后經(jīng)信號采集電路到電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。機(jī)器狗主要包括相機(jī)模組，嵌入式計(jì)算機(jī)模組，交換機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制板卡。運(yùn)動(dòng)控制板卡負(fù)責(zé)通過Wi-Fi 或5G 與PC 間實(shí)現(xiàn)雙向通信，并通過以太網(wǎng)管理定向探測器數(shù)據(jù)收發(fā)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制及狀態(tài)反饋等功能。相機(jī)模組通過USB3. 0 實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像。

本文開發(fā)了設(shè)備對應(yīng)的PC 端上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)顯示、ROS 系統(tǒng)及探測器通信連接、機(jī)器狗運(yùn)動(dòng)控制及狀態(tài)監(jiān)控、視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸、陣列探測器功能設(shè)置及定向顯示等功能，如圖2所示。用戶（或開發(fā)者）通過運(yùn)行上位機(jī)軟件，即可對整個(gè)設(shè)備進(jìn)行管理。

2 放射源空間定位方法研究

2. 1 立方體陣列探測器的空間定向算法研究

立方體陣列探測器能夠進(jìn)行角度定向的根本原因是各個(gè)探測單元之間對放射源的互相遮擋，即當(dāng)放射源從不同方向入射時(shí)，各探測器單元的計(jì)數(shù)差異映射了放射源的入射方向信息。圖3（a）所示為球坐標(biāo)系下放射源入射方向定義示意圖。圖3（b）以φ 角度入射為例，當(dāng)放射源位于圖所示角度時(shí)，3#晶體的計(jì)數(shù)最多，4#、2#晶體的計(jì)數(shù)次之，1#晶體由于在幾何上被其他三塊晶體完全遮擋，計(jì)數(shù)最少。根據(jù)不同的入射角度φ ，總有兩個(gè)探測單元位于前面且計(jì)數(shù)較多，另外兩個(gè)位于后面且計(jì)數(shù)較少的規(guī)律，定義了相鄰單元的計(jì)數(shù)之和與總計(jì)數(shù)的商為探測器的角度響應(yīng)Ri（i = 1，2，3，4），Ni（i = 1，2，3，4） 為4 個(gè)探測單元的計(jì)數(shù)。

使用開源的蒙特卡羅軟件Geant4（GEometryANd Tracking）[22-23] 對探測器進(jìn)行詳細(xì)建模并模擬探測器對不同入射角度的放射源的響應(yīng)，如圖4所示。響應(yīng)矩陣是一個(gè)儲(chǔ)存探測器對不同方向放射源入射響應(yīng)的三維數(shù)據(jù)庫，一次探測得到的4個(gè)探測單元的計(jì)數(shù)對應(yīng)在三維響應(yīng)矩陣內(nèi)是一個(gè)平面，將平面與對應(yīng)的三維響應(yīng)矩陣相交得到一條曲線，這條曲線上的點(diǎn)即為滿足該響應(yīng)值的所有θ 和φ 的組合，如圖5 所示。曲線所在的坐標(biāo)軸橫軸是φ ，縱軸是θ ，4 個(gè)響應(yīng)值可以得到4 條曲線，探測器的對稱性使4 組響應(yīng)矩陣關(guān)于R = 0. 5的平面兩兩對稱（ R1 和R3 對稱， R2 和R4 對稱），因而得到的4 條曲線兩兩重合。曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的橫軸解即為射線從水平方向入射的角度φ ，所對應(yīng)的縱軸解即為射線從豎直方向入射的角度θ ，從而更高效地計(jì)算放射源的空間入射方向。

2. 2 基于定向結(jié)果的空間定位算法研究

將探測器的空間定向算法與機(jī)器狗的激光雷達(dá)里程計(jì)技術(shù)結(jié)合，使用基于矩陣運(yùn)算的放射源三角定位算法，從而實(shí)現(xiàn)對放射源的空間定位。該方法的優(yōu)勢是僅需測試兩個(gè)坐標(biāo)位置即可計(jì)算出放射源的空間坐標(biāo)位置。圖6 為定位算法的原理示意圖。定義pr，w 為放射源R 在世界坐標(biāo)系Ow -xyz 的位置，用虛四元數(shù)表示。在滿足與放射源R 三點(diǎn)不共線的前提下，選取OA 、OB 為設(shè)備測量點(diǎn)并測量所得參數(shù)如下：探測器計(jì)算所得放射源空間方向θa 、φa 、θb 、φb ;機(jī)器狗基于先驗(yàn)地圖信息與實(shí)時(shí)三維點(diǎn)云配準(zhǔn)，計(jì)算出的機(jī)器狗激光雷達(dá)坐標(biāo)系的位置姿態(tài)信息，再經(jīng)過剛體變換后得到的探測器坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的位置t（ tw，a 和tw，b ）和姿態(tài)（ qw，a 和qw，b ）。放射源R 在探測器坐標(biāo)系下的位置pr，a 、pr，b 和pr，w 可表示為公式（5），進(jìn)一步整理可得非齊次線性方程組如式（6）。在絕大部分情況下，系數(shù)矩陣是列滿秩且行數(shù)大于列數(shù)的超定方程組，僅存在最小二乘解而無解析解，因此采用最小二乘法（法線方程法）求解，并將最小二乘解r^a，r^b 代入公式（5），求出p^r，w。

3 放射源空間定位實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3. 1 空間定向算法實(shí)驗(yàn)

首先在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下驗(yàn)證探測器的空間定向能力。陣列探測器置于一個(gè)可水平、前后、左右三個(gè)方向分別調(diào)節(jié)的齒輪云臺(tái)上，可調(diào)整為任意的三維姿態(tài);使用高精度電子水平儀配合云臺(tái)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整;所用放射源為137Cs（@ 662 keV） 放射源，活度約為4. 3 mCi;放射源位置固定，通過紅外線激光測距儀調(diào)整探測器與放射源之間距離為1. 5 m。實(shí)驗(yàn)時(shí)分別調(diào)節(jié)齒輪云臺(tái)，使放射源相對于探測器入射方向分別為： θ = 30°，45°，60°，75°，90°; φ = 90°，105°，120°，135°，150°，165°，180°。探測器累積測試時(shí)間為60 s 并重復(fù)測試10 次。定向?qū)嶒?yàn)結(jié)果如圖8 所示，圖中| Eθorφ |為10 次結(jié)果的平均誤差的絕對值，Mean（ |Eθorφ |）為計(jì)算的期望值， σθorφ 為Eθorφ 的標(biāo)準(zhǔn)偏差。實(shí)驗(yàn)表明，在整個(gè)2π空間范圍內(nèi)，陣列探測器都具備一定的定向能力，驗(yàn)證了探測器的空間放射源定向的能力。計(jì)算得到該實(shí)驗(yàn)條件下探測器對137Cs 源的平均定向誤差：

3. 2 空間定位算法驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的空間定位能力，將一枚放射性活度約為4. 3 mCi 的137Cs 源放置于實(shí)驗(yàn)室某處，遠(yuǎn)程操控機(jī)器人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，從起點(diǎn)O 出發(fā)后在A、B、C、D 4 個(gè)測量點(diǎn)位停留并測量3 次，每次測量時(shí)間為10 s，機(jī)器人軌跡及放射源位置如圖9 所示。4 個(gè)測量點(diǎn)的測量參數(shù)平均值列于表1，將A、B、C、D 4 個(gè)測量點(diǎn)位兩兩組合可得6 組放射源定位結(jié)果，表2 所示為定位誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在該實(shí)驗(yàn)條件下，測量兩個(gè)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)放射源空間定位，大大提升了尋源效率，定位誤差小于0. 4 m。圖10 展示了在上位機(jī)軟件上將定位結(jié)果與光學(xué)圖像融合后成功框選出放射源的效果圖。

4 結(jié)論

隨著放射源在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用，對應(yīng)的核安保與核應(yīng)急需求逐漸提升。為更高效、更安全地確定放射源的位置，本文成功開展了定向探測器協(xié)同機(jī)器狗平臺(tái)的γ 放射源搜尋技術(shù)研究。首先，設(shè)計(jì)完成了一款可以高效率確定放射源空間方向的陣列式定向探測器，開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其空間定向能力。然后基于ROS 完成了對機(jī)器狗的運(yùn)動(dòng)控制、多機(jī)通信、陣列探測器控制及數(shù)據(jù)處理等功能的實(shí)現(xiàn)，開發(fā)了對應(yīng)的上位機(jī)軟件。最后，本文研制了定向探測器與機(jī)器狗協(xié)同的放射源空間定位設(shè)備，研究了只需測量兩個(gè)位置的γ 放射源空間定位算法，并在實(shí)驗(yàn)室條件下驗(yàn)證了空間定位性能，在上位機(jī)軟件的光學(xué)可視化圖窗內(nèi)準(zhǔn)確標(biāo)出了放射源位置。未來將繼續(xù)針對該設(shè)備開展自動(dòng)導(dǎo)航尋源、自動(dòng)避障等研究，進(jìn)一步提高設(shè)備遠(yuǎn)距離控制放射源搜尋的能力，提高應(yīng)急處置效率，降低搜尋人員的受輻照風(fēng)險(xiǎn)，保障公眾的安全。