CN109061707A - 基于无人机的核污染区域核辐射监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无人机的核污染区域核辐射监测系统及方法，属于核污染辐射监测技术领域，该系统包括无人机、设置在无人机上的电源模块和控制与检测装置以及与控制与检测装置进行无线通信的监控平台，监控平台接收控制与检测装置发送的信息，并向控制与检测装置传输地面控制人员的控制命令，控制无人机和控制与检测装置在核污染区域进行核辐射检测与定位。本发明的无人机采用快速在线充电，有效解决无人机续航问题；针对凹陷等特殊地形区域，通过设置升降驱动机构实现核辐射剂量传感器与检测目标的距离调整，并采用绝缘隔离的方式，减少电磁场对核辐射剂量传感器检测结果的影响，提高检测精度和检测结果的准确度，增加核辐射的检测效率。

Description

基于无人机的核污染区域核辐射监测系统及方法

技术领域

本发明属于核污染辐射监测技术领域，具体涉及一种基于无人机的核污染区域核辐射监测系统及方法。

背景技术

随着核技术的不断进步以及核能的开发利用，核污染现象也随之发生。当前，对核事故、核泄漏、核电站等核辐射环境的监测多采用检测人员在防护情况下进行现场监测，或者加载大型核辐射检测设备的地面移动工具进入现场进行监测，这些监测方式虽然有防护设备(例如防护服)的保护，但人工监测核辐射污染通常耗时长，过量核辐射照射危险性大，若长时间处于高剂量的核辐射环境中会对人体造成较大的损害，甚至造成人员伤亡；另外，在一些复杂地形区域的核辐射监测中，对核辐射环境污染程度的判断往往受到复杂区域局限，影响监测范围和效率。

针对上述问题，已有的基于无人机的核污染区域核辐射监测系统也提供了一些解决方案，申请号为CN105911579A的发明专利申请公开一种无人机载核辐射检测装置，该装置通过机载太阳能电池板供电系统解决了无人机续航问题，但在阴雨天气或夜间太阳能电池板不能正常工作，特别是在高空低温条件下，太阳能电池板还有高空结冰等问题，使用条件受限；申请公布号为106628214A的发明专利申请公开一种用于矿物放射性探测的无人机及其用途，该无人机的机身下侧通过第一固定杆连接一环形吊环，该环形吊环上设置至少两个带有滑轮的滑套，纵向电机的电机轴通过第二固定杆固定连接所述滑套，横向电机的电机轴上设有绕线辊，该绕线辊上缠绕吊绳，该吊绳穿过所述滑套上的滑轮将放射性探测仪吊于所述环形吊环的下方，该发明的放射性探测仪处于悬空状态，抗风能力弱，在大风天气易剧烈晃动，且放射性探测仪的信号易受干扰，影响检测精度以及无人机飞行状态。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于无人机的核污染区域核辐射监测系统。

本发明采用以下技术方案：

一种基于无人机的核污染区域核辐射监测系统，包括无人机、设置在无人机上的电源模块(6)和控制与检测装置(1)以及与控制与检测装置(1)进行无线通信的监控平台(2)，电源模块(6)包括具有无线充电功能的电源，配合预先设置的无线充电站(5)以实现快速在线充电，为无人机及其上的控制与检测装置(1)提供电能。

上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统中，所述控制与检测装置(1)包括主控单元(11)以及分别与主控单元(11)电连接的飞行控制机构(12)、核辐射剂量传感器(13)和位置获取单元(15)。

上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统中，所述控制与检测装置(1)还包括与主控单元(11)电连接的距离检测单元(14)，距离检测单元(14)设有红外测距传感器或超声波测距传感器，测距传感器布置在无人机上下和四周各个方向，以实现全方位的距离探测。

上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统中，所述控制与检测装置(1)还包括与主控单元(11)电连接的图像采集单元(16)，图像采集单元(16)设有防水高清摄像头，该摄像头的安装机构为智能旋转球形机构，其控制端电连接至主控单元(11)。

上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统中，所述控制与检测装置(1)还包括与主控单元(11)电连接的数据传输单元(17)，数据传输单元(17)设有无线数传电台、无线wifi、4G无线数传模块、5G无线数传模块和蓝牙电台中的至少两种，主控单元(11)根据位置获取单元(15)获取的地理位置信息计算得到无人机与监控平台(2)之间的距离信息，控制数据传输单元(17)在各通讯方式之间根据所述距离信息自动切换。

上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统中，所述无人机包括无人机机身(3)和多个旋翼机构(4)，无人机机身(3)设置有一层载台(31)和二层载台(32)，旋翼机构(4)等间距设置在无人机机身(3)的一层载台(31)的四周；二层载台(32)通过一升降驱动机构(33)连接至一层载台(31)上，核辐射剂量传感器(13)安装于无人机的二层载台(32)上。

上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统中，二层载台(32)设于升降驱动机构(33)的下方，由第二电机(332)通过收线棒(333)和拉线(334)控制二层载台(32)升降，其中，第二电机(332)的输出轴与收线棒(333)相连，拉线(334)一端固定于收线棒(333)上，另一端固定于二层载台(32)上。

上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统中，所述升降驱动机构(33)还包括滑动杆(331)，二层载台(32)穿套于滑动杆(331)中，滑动杆(331)上还设置有上限位环(335)和下限位环(336)，二层载台(32)在上限位环(335)和下限位环(336)限定的范围内上下移动。

上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统中，核辐射剂量传感器(13)与二层载台(32)接触部分包裹绝缘材料，且固定核辐射剂量传感器(13)的螺栓由高强度塑料制成，以便核辐射剂量传感器(13)与无人机的二层载台(32)的接触部分绝缘隔离；无人机机身(3)由碳纤维材料制成，且一层载台(31)和二层载台(32)设置有镂空结构，以减轻无人机重量。

本发明还提供一种核污染区域核辐射监测方法，该方法采用上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统进行操作，包括以下步骤：

步骤一：无人机根据主控单元(11)内置的预先设定的路径规划进行自动巡航，控制与检测装置(1)获取第一监测信息，所述第一监测信息包括位置获取单元(15)获取的第一地理位置信息、核辐射剂量传感器(13)检测的第一核辐射剂量信息以及距离检测单元(14)检测的第一障碍物距离信息；

步骤二：主控单元(11)通过数据传输单元(17)实时将第一监测信息发送至监控平台(2)，监控平台(2)将接收的第一监测信息进行分析处理生成更新的路径规划控，并将更新的路径规划发送至主控单元(11)，主控单元(11)通过飞行控制机构(12)调整无人机的路径以及飞行状态以规避障碍物，控制与检测装置(1)持续工作获取第二监测信息，第二监控信息包括位置获取单元(15)获取的第二地理位置信息、核辐射剂量传感器(13)检测的第二核辐射剂量信息以及距离检测单元(14)检测的第二障碍物距离信息；

监控平台(2)的分析处理过程包括：对第一监测信息的第一核辐射剂量信息与一预设核辐射剂量阈值进行比较，将小于预设核辐射剂量阈值的第一核辐射剂量值对应的第一地理位置信息剔除，依据剔除后的第一地理位置信息生成路径规划；

步骤三：监控平台(2)接收第二监测信息，并将第二监测信息中小于预设核辐射剂量阈值的第二核辐射剂量信息值对应的第二地理位置信息剔除，依据剔除后的第二地理位置信息获取初步核辐射区域范围；

步骤四：监控平台(2)根据得到的初步核辐射区域范围和第二核辐射剂量信息生成第三路径规划和飞行模式控制命令发送至主控单元(11)，第三路径规划包括由第二核辐射剂量最大值确定的中心区域、由中心区域向外围各个方向扩展的路径以及各个方向路径上的无人机的悬停间距；主控单元(11)通过飞行控制机构(12)控制无人机按照第三规划路径在悬停点进行多点悬停，悬停时控制无人机的升降驱动机构(33)要调整核辐射剂量传感器(13)与检测目标的距离，进而进行核辐射剂量的精确测量，得到第三核辐射剂量信息以及第三地理位置信息；

步骤五：监控平台(2)根据接收到的第三核辐射剂量信息和对应的第三地理位置信息进行分析处理，得到精确核辐射区域，并将第三核辐射剂量值与GB18871电离辐射防护与辐射安全基本标准所规定的通用优化干预水平进行比较，来精确判断核辐射区域的核辐射环境污染程度。

上述基于无人机的核污染区域核辐射监测方法还包括以下步骤：

无人机飞行过程中，主控单元(11)通过数据传输单元(17)将图像采集单元(16)连续采集到的视频或图像信息发送至监控平台(2)，监控平台(2)将接收的包括视频或图像信息的监测信息进行可视化显示。

本发明采用以上技术手段，通过飞行控制机构配合主控单元和距离检测单元操控无人机在核污染区域无障碍飞行，同时通过位置获取单元和核辐射剂量传感器检测巡航区域的核辐射剂量，监控平台根据接收的无人机地理位置和图像采集单元采集的图像视频影像综合确定辐射源位置，并控制无人机的飞行状态实现核污染区域遥控监测，降低人员参与度，提高核辐射检测效率，保障检测人员的人身安全。

区域于现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的无人机设有具有无线充电功能的电源，并配合预先设置的无人机充电站，实现无人机快速在线充电，有效解决无人机续航问题，保证无人机长时间正常工作；

(2)针对凹陷等特殊地形区域，通过设置升降驱动机构实现核辐射剂量传感器与检测目标的距离调整，增加核辐射的检测效率；

(3)采用与用电部件距离隔离、绝缘隔离的方式，减少电磁场对核辐射剂量传感器检测结果的影响，提高检测精度和检测结果的准确度；

(4)采用可切换的多传输系统，根据通讯距离在多种通讯方式之间进自动行切换，充分利用各通讯方式各自的优势，提高工作效率，降低功耗和组网难度。

附图说明

图1是本发明基于无人机的核污染区域核辐射监测系统的整体示意图；

图2是控制与检测装置的结构框图；

图3是无人机机身的结构示意图；

图4是无人机的整体结构示意图；

图5是无人机的旋翼机构的结构示意图；

图6是二层载台的升降驱动机构的结构示意图。

主要附图标号：

1：控制与检测装置，11：主控单元，12：飞行控制机构，13：核辐射剂量传感器，14：距离检测单元，15：位置获取单元，16：图像采集单元，17：数据传输单元；

2：监控平台；

3：无人机机身，31：一层载台，32：二层载台，33：升降驱动机构,331：滑动杆，332：第二电机，333：收线棒，334：拉线，335：上限位环，336：下限位环；34：屏蔽罩，35：支架；

4：旋翼机构，41：旋翼臂，42：螺旋桨，421：电机底座，422：第一电机，423：螺旋桨叶；

5：无线充电站；6：电源模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施实例，对本发明基于无人机的核污染区域核辐射监测系统及方法进行详细说明。

图1示出了本发明基于无人机的核污染区域核辐射监测系统的结构。如图1所示，该系统包括无人机、设置在无人机上的控制与检测装置1和电源模块6以及与控制与检测装置1进行信息交互的监控平台2，电源模块6为无人机和控制与检测装置1提供电能，监控平台2接收控制与检测装置1发送的信息，并向控制与检测装置1传输地面控制人员的控制命令，控制无人机和控制与检测装置1在核污染区域进行核辐射检测与定位。

其中，监控平台2包括数据传输中转站和监控控制中心，数据传输中转站包括但并不限于智能手机和/或地面接收站，可通过无线数传电台、无线WiFi、4G、蓝牙电台等无线通讯方式实现与控制与检测装置1之间的数据传输，并与监控控制中心进行数据交互。其中，蓝牙电台是在传统蓝牙技术的基础上经过蓝牙信号的滤波和放大，可实现3km的传输距离；监控控制中心包括用于信息处理的处理器和用于信息显示、输入控制命令的人机交互单元。监控平台2具体应用方式灵活，可以是移动电子设备，或者由多种电子设备构成的网络系统(例如核辐射防控应急中心)。

如图2所示，控制与检测装置1包括主控单元11以及与主控单元11电连接的飞行控制机构12、核辐射剂量传感器13、距离检测单元14、位置获取单元15、图像采集单元16和数据传输单元17，其中，数据传输单元17采用无线通讯方式与监控平台2进行数据交互；核辐射剂量传感器13自动实时检测无人机巡航区域内的核辐射剂量信息，并将检测结果传输至主控单元11，然后经数据传输单元17发送至监控平台2；位置获取单元15实时获取无人机所处的地理位置信息，并将位置信息传输至主控单元11，然后经数据传输单元17发送至监控平台2；图像采集单元16实时采集无人机巡航区域内的图像或视频信息并传输至主控单元，并通过数据传输单元17实时发送至监控平台2；距离检测单元14实时检测无人机与障碍物的距离，并实时传输至主控单元11，主控单元11对距离数据进行处理并做出判断，控制飞行控制单元12做出响应来调整无人机的飞行状态以规避障碍物，同时通过数据传输单元17将距离信息实时发送至监控平台2。

其中，主控单元11设置有主控芯片、存储芯片以及相应的处理电路，可以是微控制器或微处理器，主控单元11将核辐射剂量传感器13、位置获取单元15、图像采集单元16和距离检测单元14获取的相关数据信息通过数据传输单元17发送至监控平台2并进行储存及初步处理，同时通过数据传输单元17接收监控平台2发送的飞行路径信息和控制信息，主控单元11根据接收的飞行路径信息和控制信息以及获取的相关数据信息生成控制命令，发送至飞行控制机构12，控制无人机的飞行状态以及相关部件的动作，例如可以控制无人机在任意位置低空悬停，无人机机身中二层载台32的升降(参照图3和图4)，控制图像采集单元16的采集探头的旋转角度。

飞行控制机构12用于接收来自主控单元11的控制指令并测量无人机飞行参数、操控无人机的飞行状态，例如飞行高度、飞行速度、悬停状态等；飞行控制机构12包括用于驱动无人机的螺旋桨叶旋转的第一电机422(参照图5)、用于驱动升降驱动机构33的第二电机332(参照图6)、用于驱动摄像头旋转的摄像头旋转机构、用于测量无人机飞行参数的加速度计和陀螺仪等。

位置获取单元15设有GPS定位模块(包括GPS接收天线)或北斗定位模块，用于精确获取无人机所处的地理位置信息。

距离检测单元14用于检测无人机飞行过程与障碍物之间的距离，设有红外测距传感器或超声波测距传感器，测距传感器可布置在无人机的各个方向，进行全方位的探测，防止无人机在飞行过程中碰撞障碍物。

图像采集单元16可采用防水高清摄像头，该摄像头的安装机构为智能旋转球形机构，摄像头的安装机构的控制端电连接至主控单元11，摄像头的角度可根据情况进行控制，摄像头可在水平方向上360度旋转，在垂直方向上180度转动。

核辐射剂量传感器13可采用高量程的χ-γ辐射剂量率仪，监控平台2根据获取的距离信息以及监测区域核辐射剂量水平，发送控制信息至主控单元11，控制无人机的悬停高度以及调整核辐射剂量传感器13离检测目标的距离。

数据传输单元17设有传输数据信息的无线通信模块，无线通讯模块包括无线数传电台、无线WiFi、4G无线数传模块、5G无线数传模块和蓝牙电台中的至少两种，数据传输单元17采用多种传输方式，可适应不同的现场情况进行不同传输方式的切换，用于控制与检测装置1与监控平台2之间的双向数据传输。优选的，该实施例中，数据传输单元17采用具有蓝牙数据传输和4G无线传输的实时无线数据传输功能的双传输系统，在控制与检测装置1与监控平台2进行数据交互时，无人机与监控平台2距离较近(3km以内)时，优先采用蓝牙数据传输，二者距离较远(3km以外)时，切换至4G无线传输方式，两种传输方式的切换可采用如下策略进行：由主控单元11根据位置获取单元15获取的地理位置信息计算得到无人机与监控平台2的距离信息，主控单元11根据该距离信息控制数据传输单元17切换传输方式；当然也可以采用其他切换策略，例如，根据信号强弱。

4G数据通讯具有传输距离远、数据传输量大等优点，也可进行视频传输，缺点可能在强电磁场下，GPRS信号容易受干扰。蓝牙工作在开放的2.4GHz ISM频段，一台蓝牙设备可同时与与其他蓝牙设备建立连接，数据传输率高，功耗低，有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求，并支持语音传输。对于核辐射检测现场来说，上述可切换的传输方式可保障多种情况下的数据传输和监控平台2包含的多个终端间数据共享，并且组网简单。

电源模块6为无人机及其上的控制与检测装置1提供电能。电源模块6可以为可充电电池组，优选的，该实施例中，基于无人机的核污染区域核辐射监测系统还包括有预先设置的无线充电站5(例如，可采用目前比较成熟的基于电磁感应原理的无线充电技术解决方案)，电源模块6包括具有无线充电功能的电源，无人机可通过搜索最近的无线充电站5实现快速在线充电(例如，当电量少于20％时，开始搜索无线充电站5)，补充电能，解决无人机的续航问题。

基于上述结构实现的基于无人机的核污染区域核辐射监测系统中，无人机的具体实施方式如图3和图4所示，该实施例中的无人机为能够低空悬停的小型多旋翼无人机，可以遥控控制，包括但不限于六旋翼无人机。无人机包括无人机机身3和六个旋翼机构4，六个旋翼机构4等间距设置在无人机机身3的一层载台31的四周，旋翼机构4包括旋翼臂41和设置在旋翼臂41尾端的螺旋桨42；参照图5，螺旋桨42包括设置在旋翼臂尾端的电机底座421、设置在电机底座421上的第一电机422以及与第一电机422的输出轴连接的螺旋桨叶423，螺旋桨叶423能够在第一电机422驱动下以一定的速度旋转；无人机机身3还设置二层载台32，二层载台32通过一升降驱动机构33连接至一层载台31。

核辐射剂量传感器13和图像采集单元16均安装于无人机的二层载台32上，升降驱动机构33能够驱动二层载台32上下移动，实现核辐射剂量传感器13和图像采集单元16与检测目标之间的距离调节，针对凹陷、有遮挡等特殊地形，通过距离微调增加检测效率。升降驱动机构33的结构如图6所示，包括滑动杆331、第二电机332、收线棒333和拉线334，滑动杆331设有多个，分设于一层载台31的底部四周，第二电机332安装于滑动杆331顶部，其输出轴与收线棒333相连，拉线334一端固定于收线棒333上，另一端固定于二层载台32上，二层载台32可沿滑动杆331上下滑动。在第二电机332的驱动下，拉线334被收线时，二层载台32上升，拉线334被放线时，二层载台32下降，从而带动核辐射剂量传感器13和图像采集单元16上升或下降。

为了防止二层载台移动范围过大脱离滑动杆331，升降驱动机构33的滑动杆331上还设置有上限位环335和下限位环336，二层载台32只能在上限位环335和下限位环336限定的范围内上下移动。图6所示的实施例中，优选的，滑动杆331的长度为50cm，上限位环335和下限位环336之间的距离为30cm，因此，该实施例可以对核辐射剂量传感器13和图像采集单元16的探头进行30cm的微调。

根据放射性理论，核辐射点源在一定距离处某点的照射量率与放射源的活度成正比，与二者距离的平方成反比。一般情况下把核辐射现场模拟成点源，探头30cm微调就对现场测量结果有较大影响，在实际工作中，不同核素30cm的探测距离对核辐射剂量传感器13检测效果的影响大小也不同，例如理论上计算1毫克镭元素在100cm距离和70cm的照射量率差为61.6×10^-12C/kg.s。因此，通过微调核辐射剂量传感器13的探头与核辐射点源的距离，可以在一定程度上提高检测精度和检测准确性。

该实施例中，无人机机身3的一层载台31、二层载台32和螺旋桨叶423均采用碳纤维材料制成，且一层载台31和二层载台32设置有镂空结构，以减轻无人机重量，提高飞行灵敏度；旋翼机构4与无人机机身的一层载台31采用可折叠结构，未使用时可将六个旋翼臂41折叠，以减少占用空间。

该实施例中，无人机的一层载台31的四周还分设有多个支架35，优选的，支架35设置有三个，便于无人机稳定停靠。

为了增强该系统针对雨水等恶劣天气的适应性，如图3所示的实施例中，无人机机身3的一层载台31上部设置有一屏蔽罩34，屏蔽罩34保护设置在一层载台31上的电池模块6、主控单元11、数据传输单元17、位置获取单元15不受雨水等恶劣天气的影响；设置在旋翼臂41端部的第一电机422和升降驱动机构33的第二电机332均采用防水电机。

该实施例中，距离检测单元14设有红外测距传感器，可分别设置在无人机的旋翼臂的端部以及二层载台32的下部，用于在水平方向上的六个方位以及下方同时进行距离测量，配合图像采集单元16采集的图像、视频信息，以判断无人机的飞行路径是否存在障碍物以及无人机悬停高度。

该实施例中，核辐射剂量传感器13所采用的χ-γ辐射剂量率仪为高精度、高量程的仪器，其测量结果易受电磁干扰。为了减少无人机的用电部件产生的电磁场对核辐射剂量传感器13检测结果的影响，控制与检测装置1的用电部件尽可能放置在一层载台31上，以便与设置在二层载台32上的核辐射剂量传感器13距离上进行隔离，例如，电源模块6设置在一层载台31上，同时，采用绝缘材料将核辐射剂量传感器13与无人机的二层载台32的接触部分进行绝缘隔离，例如固定核辐射剂量传感器13的螺栓采用高强度塑料制成，核辐射剂量传感器13与二层载台32接触部分包裹绝缘材料。

该实施例中，无人机设有三种工作模式，即飞行模式、悬停模式和无线充电模式。以下针对每一种工作模式的工作过程分别进行介绍：

当无人机起飞开始启动飞行模式，无人机首先根据主控单元11内置的默认的路径规划进行自动巡航检测，监控平台2实时接收控制与检测装置1获取的检测信息(包括无人机所处的地理位置信息、飞行速度、飞行姿态、海拔高度、无人机与障碍物或目标区域的距离信息和图像视频影像)和核辐射剂量检测信息生成控制指令通过数据传输单元17发送主控单元11，实时控制无人机的飞行状态和飞行路径。

为了实现超低空悬停，需要控制无人机的六个旋翼机构4的螺旋桨42的工作状态，通过控制六个旋翼机构的驱动电机(第一电机422)的输出功率和转向，实现无人机的上升、下降、俯仰、横滚、偏航等运动状态，例如，一号、三号和五号旋翼机构的第一电机顺时针转动，二号、四号和六号旋翼机构的第一电机逆时针转动(为了便于描述，将六个旋翼机构依次编号，用一号至六号代表六个旋翼机构)，以便平衡对机身的反扭矩；在此设置下，当同时增加六个第一电机的输出功率，螺旋桨叶423的转速增加使得无人机的升力增加，无人机上升；反之，同时减少六个第一电机的输出功率使得无人机的升力降低，无人机下降；当螺旋桨叶423产生的升力等于无人机的自重时，无人机便保持悬停状态。该实施例的无人机悬停高度最低可达1m-1.5m。

该实施例的无人机启动悬停模式时，监控平台2根据获取的地理位置信息和图像视频影像生成控制指令通过数据传输单元17发送主控单元11，控制无人机的螺旋桨42的工作状态，并调整核辐射剂量传感器13与检测目标的距离。

当无人机的电源模块6的电量少于一定量(例如电量的20％)时，无人机启动无线充电模式，监控平台2控制无人机启动搜索最近的无线充电站5，当无线充电站5进入无人机无线充电所要求的距离范围内时，无人机自动在线充电。

上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统在无人机上设置控制与检测装置1，通过飞行控制机构12配合主控单元11和距离检测单元14操控无人机在核污染区域无障碍飞行，同时通过位置获取单元15和核辐射剂量传感器13检测巡航区域的核辐射剂量分布情况，监控平台2根据接收的无人机地理位置和图像采集单元16采集的图像视频影像综合确定放射源位置，并控制无人机的飞行状态(例如悬停)实现核污染区域遥控监测，降低人员参与度，提高核辐射检测效率，保障检测人员的人身安全；采用与用电部件距离隔离、绝缘隔离的方式，减少电磁场对核辐射剂量传感器13检测结果的影响，提高检测检测精度和检测结果的准确度；针对凹陷等特殊地形区域，通过设置升降驱动机构33实现核辐射剂量传感器13与检测目标的距离调整，增加核辐射的检测效率；电源模块6采用具有无线充电功能的电源，配合预先设置的无线充电站5，实现无人机快速在线充电，解决无人机续航问题；采用可切换的多传输系统，根据通讯距离在多种数据传输方式之间进行自动切换，充分利用蓝牙通讯、数传电台、无线WiFi和4G、5G通讯各自的优势，提高工作效率，降低功耗和组网难度。

根据上述基于无人机的核污染区域核辐射监测系统和无人机工作模式，本发明还提供一种基于无人机的核污染区域核辐射监测系统方法，包括以下步骤：

步骤一：无人机根据主控单元11内置的预先设定的路径规划进行自动巡航，控制与检测装置1获取第一监测信息，该第一监测信息包括位置获取单元15获取的第一地理位置信息、核辐射剂量传感器13检测的第一核辐射剂量信息以及距离检测单元14检测的第一障碍物距离信息；

步骤二：主控单元11通过数据传输单元17实时将第一监测信息发送至监控平台2，监控平台2将接收的第一监测信息进行分析处理生成更新的路径规划，并将更新的路径规划发送至主控单元11，主控单元11控制飞行控制机构12调整无人机的路径和飞行状态以规避障碍物，控制与检测装置1持续工作获取第二监测信息，第二监控信息包括位置获取单元15获取的第二地理位置信息、核辐射剂量传感器13检测的第二核辐射剂量信息以及距离检测单元14检测的第二障碍物距离信息；

监控平台2的分析处理过程包括：对第一监测信息的第一核辐射剂量信息与预设核辐射剂量阈值进行比较，将小于预设核辐射剂量阈值的第一核辐射剂量值对应的第一地理位置信息剔除，依据剔除后的第一地理位置信息生成路径规划。其中，预设核辐射剂量阈值通常根据经验值确定，该经验值一般根据先前收集的不同事故类型以及多个利害因素综合评价后由现场指挥部确定。

步骤三：监控平台2接收第二监测信息，并将第二监测信息中小于预设核辐射剂量阈值的第二核辐射剂量信息值对应的第二地理位置信息剔除，依据剔除后的第二地理位置信息获取初步核辐射区域范围；

步骤四：监控平台2根据获取的初步核辐射区域范围和第二核辐射剂量信息生成第三路径规划和飞行模式控制命令发送至主控单元11，第三路径规划包括由第二核辐射剂量最大值确定的中心区域、由中心区域向外围各个方向扩展的路径以及各个方向路径上的无人机的悬停间距；主控单元11通过飞行控制机构12控制无人机按照第三规划路径在悬停点进行多点悬停，悬停时控制无人机的升降驱动机构33要调整核辐射剂量传感器13与检测目标的距离，进而进行核辐射剂量的精确测量，得到第三核辐射剂量信息以及第三地理位置信息；

其中，无人机在初步核辐射区域范围内进行多点悬停时，悬停间距通常根据第二核辐射剂量值大小及其变化率确定，一般将第二核辐射剂量值最大的区域定为中心区域，由中心区域向外围各个方向进行扩展，按照核辐射剂量变化率递减的趋势设置悬停点，并在悬停点进行核辐射精确测量。例如，在高核辐射剂量区域内，设置的悬停点间隔较远，如50m或100m等，再根据监测的第二核辐射剂量变化率数值来确定是否缩短悬停间距，如果第二核辐射剂量变化率较小，则无需缩短悬停间距，若第二核辐射剂量变化率较大且临近预设核辐射剂量阈值，则无人机进入低核辐射区域内，则可以缩短悬停间距，例如10m或20m，直到到达核辐射剂量值等于预设核辐射剂量阈值(或者落在预设核辐射剂量阈值的允许误差范围内)的悬停点，确定为该飞行方向上的飞行边界点(边界点以外的区域认为无核辐射区域，边界点以内为有核辐射区域)。另外，在划定第一核辐射区域范围时，无人机悬停位置还要根据目标区域的核事故类型以及现场情况来确定，例如点源核辐射污染可以以大致圆形范围的各个方向区域进行均衡作业，而爆炸以及扩散式污染可根据烟羽区进行作业探测，通常以下风向处为重点作业区域。

步骤五：监控平台2根据接收到的第三核辐射剂量信息和对应的第三地理位置信息进行分析处理，得到精确核辐射区域，并将第三核辐射剂量值与GB18871电离辐射防护与辐射源安全基本标准所规定的通用优化干预水平进行比较，来判断精确核辐射区域的核辐射环境污染程度。

步骤五中监控平台2的分析处理过程包括：对第三核辐射剂量信息与预设核辐射剂量阈值进行比较，将小于预设核辐射剂量阈值的第三核辐射剂量值对应的第三地理位置信息剔除，依据剔除后的第三地理位置信息获取精确核辐射区域。其中，各个方向的边界点形成精确核辐射区域的边界。

GB18871电离辐射防护与辐射源安全基本标准明确了隐蔽措施级别和临时撤离级别的通用优化干预水平，其中，隐蔽措施级别的通用优化干预水平的核辐射剂量值一般为10mSv，即2天以内可防止的剂量为10mSv(换算后约200nSv/h)时，可认为此位置受到辐射污染，需要采取隐蔽措施；临时撤离级别的通用优化干预水平的核辐射剂量值一般为50mSv，即在不长于一周的期间内可防止的剂量为50mSv(换算后约300nSv/h)。

另外，为了便于核辐射监控人员对无人机飞行状态和工作情况的监视，基于无人机的核污染区域核辐射监测系统方法还包括以下步骤：

无人机飞行过程中，主控单元11通过数据传输单元17将图像采集单元16连续采集到的视频或图像信息发送至监控平台2，监控平台2将接收的包括视频或图像信息的监测信息进行可视化显示。

本发明根据制作的无人机样机在地面γ辐照源模型上进行了初步测试，效果良好。

本领域技术人员应当理解，这些实施例仅用于说明本发明而不限制本发明的范围，对本发明所做的各种等价变型和修改均属于本发明公开内容。

Claims (10)

1.一种基于无人机的核污染区域核辐射监测系统，包括无人机、设置在无人机上的电源模块(6)和控制与检测装置(1)以及与控制与检测装置(1)进行无线通信的监控平台(2)，其特征在于，还包括有预先设置的无线充电站(5)，电源模块(6)包括具有无线充电功能的电源，配合无线充电站(5)以实现快速在线充电，为无人机及其上的控制与检测装置(1)提供电能；所述控制与检测装置(1)包括主控单元(11)以及分别与主控单元(11)电连接的飞行控制机构(12)、核辐射剂量传感器(13)和位置获取单元(15)。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的核污染区域核辐射监测系统，其特征在于，所述控制与检测装置(1)还包括与主控单元(11)电连接的距离检测单元(14)，距离检测单元(14)设有红外测距传感器或超声波测距传感器，测距传感器布置在无人机上下和四周各个方向，以实现全方位的距离探测。

3.根据权利要求2所述的基于无人机的核污染区域核辐射监测系统，其特征在于，所述控制与检测装置(1)还包括与主控单元(11)电连接的图像采集单元(16)，图像采集单元(16)设有防水高清摄像头，该摄像头的安装机构为智能旋转球形机构，其控制端电连接至主控单元(11)。

4.根据权利要求3所述的基于无人机的核污染区域核辐射监测系统，其特征在于，所述控制与检测装置(1)还包括与主控单元(11)电连接的数据传输单元(17)，数据传输单元(17)设有无线数传电台、无线wifi、4G无线数传模块、5G无线数传模块和蓝牙电台中的至少两种，主控单元(11)根据位置获取单元(15)获取的地理位置信息计算得到无人机与监控平台(2)之间的距离信息,控制数据传输单元(17)在各通讯方式之间根据所述距离信息进行自动切换。

5.根据权利要求2至4任一项所述的基于无人机的核污染区域核辐射监测系统，其特征在于，所述无人机包括无人机机身(3)和多个旋翼机构(4)，无人机机身(3)设置有一层载台(31)和二层载台(32)，旋翼机构(4)等间距设置在无人机机身(3)的一层载台(31)的四周；二层载台(32)通过一升降驱动机构(33)连接至一层载台(31)上，核辐射剂量传感器(13)安装于无人机的二层载台(32)上。

6.根据权利要求5所述的基于无人机的核污染区域核辐射监测系统，其特征在于，二层载台(32)设于升降驱动机构(33)的下方，由第二电机(332)通过收线棒(333)和拉线(334)控制二层载台(32)升降，其中，第二电机(332)的输出轴与收线棒(333)相连，拉线(334)一端固定于收线棒(333)上，另一端固定于二层载台(32)上。

7.根据权利要求6所述的基于无人机的核污染区域核辐射监测系统，其特征在于，所述升降驱动机构(33)还包括固定于一层载台(31)下部的滑动杆(331)，二层载台(32)穿套于滑动杆(331)中，滑动杆(331)上还设置有上限位环(335)和下限位环(336)，二层载台(32)在上限位环(335)和下限位环(336)限定的范围内上下移动。

8.根据权利要求5至7任一项所述的基于无人机的核污染区域核辐射监测系统，其特征在于，核辐射剂量传感器(13)与二层载台(32)接触部分包裹绝缘材料，且固定核辐射剂量传感器(13)的螺栓由高强度塑料制成，以便核辐射剂量传感器(13)与无人机的二层载台(32)的接触部分绝缘隔离；无人机机身(3)由碳纤维材料制成，且一层载台(31)和二层载台(32)设置有镂空结构，以减轻无人机重量。

9.一种基于无人机的核污染区域核辐射监测方法，采用权利要求2至8任一项所述的基于无人机的核污染区域核辐射监测系统进行操作，具体包括以下步骤：

步骤一：无人机根据主控单元(11)内置的预先设定的路径规划进行自动巡航，控制与检测装置(1)获取第一监测信息，所述第一监测信息包括位置获取单元(15)获取的第一地理位置信息、核辐射剂量传感器(13)检测的第一核辐射剂量信息以及距离检测单元(14)检测的第一障碍物距离信息；

步骤二：主控单元(11)通过数据传输单元(17)实时将第一监测信息发送至监控平台(2)，监控平台(2)将接收的第一监测信息进行分析处理生成更新的路径规划控，并将更新的路径规划发送至主控单元(11)，主控单元(11)通过飞行控制机构(12)调整无人机的路径以及飞行状态以规避障碍物，控制与检测装置(1)持续工作获取第二监测信息，第二监控信息包括位置获取单元(15)获取的第二地理位置信息、核辐射剂量传感器(13)检测的第二核辐射剂量信息以及距离检测单元(14)检测的第二障碍物距离信息；

监控平台(2)的分析处理过程包括：对第一监测信息的第一核辐射剂量信息与一预设核辐射剂量阈值进行比较，将小于预设核辐射剂量阈值的第一核辐射剂量值对应的第一地理位置信息剔除，依据剔除后的第一地理位置信息生成路径规划；

步骤三：监控平台(2)接收第二监测信息，并将第二监测信息中小于预设核辐射剂量阈值的第二核辐射剂量信息值对应的第二地理位置信息剔除，依据剔除后的第二地理位置信息获取初步核辐射区域范围；

步骤四：监控平台(2)根据得到的初步核辐射区域范围和第二核辐射剂量信息生成第三路径规划和飞行模式控制命令发送至主控单元(11)，第三路径规划包括由第二核辐射剂量最大值确定的中心区域、由中心区域向外围各个方向扩展的路径以及各个方向路径上的无人机的悬停间距；主控单元(11)通过飞行控制机构(12)控制无人机按照第三规划路径在悬停点进行多点悬停，悬停时控制无人机的升降驱动机构(33)要调整核辐射剂量传感器(13)与检测目标的距离，进而进行核辐射剂量的精确测量，得到第三核辐射剂量信息以及第三地理位置信息；

步骤五：监控平台(2)根据接收到的第三核辐射剂量信息和对应的第三地理位置信息进行分析处理，得到精确核辐射区域，并将第三核辐射剂量值与GB18871电离辐射防护与辐射安全基本标准所规定的通用优化干预水平进行比较，来精确判断核辐射区域的核辐射环境污染程度。

10.根据权利要求9所述的基于无人机的核污染区域核辐射监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

无人机飞行过程中，主控单元(11)通过数据传输单元(17)将图像采集单元(16)连续采集到的视频或图像信息发送至监控平台(2)，监控平台(2)将接收的包括视频或图像信息的监测信息进行可视化显示。