CN112817336A - 基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统及定位方法,所述定位系统包括无人机模块和与无人机模块无线通讯连接的地面工作站模块,所述无人机模块包括一架或多架无人机,所述无人机设有γ剂量率快速响应测量仪、测高及避障单元、高精度定位单元、液体喷淋单元和远程数据传输与控制单元,γ剂量率快速响应测量仪、测高及避障单元、高精度定位单元、液体喷淋单元分别与远程数据传输与控制单元通讯连接;所述地面工作站模块包括终端设备,所述终端设备与远程数据传输与控制单元通讯连接。本发明具有机动性好、环境适应性强、飞行安全性好、寻源灵敏度和准确度高等优点,能够自动划定警戒区,最大限度降低工作人员的辐射受照剂量。
Description
技术领域
本发明涉及辐射事故中放射源搜寻方法领域,特别涉及基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统及定位方法。
背景技术
随着无人机技术的迅猛发展,将无人机搭载核辐射测量仪后应用在辐射环境本底调查、核事故/核泄漏污染情况监测、辐射事故放射源搜寻等工作上已越来越常见,可有效降低工作人员的受照剂量,提高监测效率并能获取空间辐射场数据,近年来越来越受到行业研究者的关注。大型无人机因在搭载重量、续航时长等方面具有优势,所以目前电离辐射监测采用最多的是大型无人机,但大型无人机一般对起飞和降落场地、无人机驾驶员的驾驶技能等要求较高,且价格昂贵,规划飞行路径时一般采用商用数字地图,地图精度不够高且不能反映当下地面最新情况,定位准确度相对较差且影响飞行安全,无自主绕障功能,飞行高度相对较高(一般大于50m),从而大大限制了其在辐射事故中对放射源(特别是较低活度放射源)精准搜寻定位上的应用。
另外,生态环境部标准《辐射事故应急监测技术规范》HJ1155-2020中要求在辐射事故下,为了控制辐射剂量或防止污染扩散要对事故现场划定内外警戒区。目前采用人工划定方法,存在警戒线具体位置确定困难、划定效率低下、划定工作人员会受到辐射等问题。
发明内容
针对以上不足,本发明旨在提供基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统及定位方法,具有机动性好、环境适应性强、飞行安全性好、寻源灵敏度和准确度高等优点,能够自动划定警戒区,最大限度降低工作人员的辐射受照剂量。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统,包括无人机模块和与所述无人机模块无线通讯连接的地面工作站模块,所述无人机模块包括一架或多架无人机,所述无人机设有γ剂量率快速响应测量仪、测高及避障单元、高精度定位单元、液体喷淋单元和远程数据传输与控制单元,所述γ剂量率快速响应测量仪、所述测高及避障单元、所述高精度定位单元、所述液体喷淋单元分别与所述远程数据传输与控制单元通讯连接;所述地面工作站模块包括终端设备,所述终端设备与所述远程数据传输与控制单元通讯连接。
作为一种优选的技术方案,所述无人机还设有高清摄像头,所述高清摄像头安装于所述无人机上,并与所述远程数据传输与控制单元通讯连接,用于将航拍图像通过所述远程数据传输与控制单元实时回传至地面工作站。
作为一种优选的技术方案,所述测高及避障单元包括多个雷达或激光传感器,所述雷达或激光传感器分别安装于所述无人机的上、下、左、右、前、后方位。
作为一种优选的技术方案,所述液体喷淋单元包括液体容器、连接管路、压力泵和喷头,所述液体容器设于所述无人机上,所述喷头通过所述连接管路与所述液体容器连接,所述压力泵与所述液体容器连接,并与所述远程数据传输与控制单元通讯连接。
作为一种优选的技术方案,所述终端设备包括无人机遥控器、电脑终端和智能手机终端。
作为一种优选的技术方案,所述电脑终端与所述智能手机终端设有数据处理软件,所述数据处理软件包括数字地图制图软件、γ剂量率测量数据实时接收显示软件、γ剂量率热点图或等值线图制作软件。
本发明第二方面还提供基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位方法,包括如下步骤:
(1)利用无人机对事故可疑区域进行航拍,航拍图像实时回传至地面工作站;
(2)根据实时回传的航拍图像,使用制图软件制作事故可疑区域的二维/三维高清数字地图;
(3)根据二维/三维高清数字地图,标识障碍物,规划无人机的寻源飞行路径,使无人机开展寻源飞行;
(4)无人机寻源飞行时,将测量得到的γ剂量率和经纬度数据实时回传至地面工作站;
(5)通过地面工作站实时查看无人机的飞行信息、飞行作业执行情况和γ剂量率实时变化数据、曲线,根据实时回传的数据,制作基于现场高清数字地图的γ剂量率等值线图,等值线图中心即为放射源位置。
作为一种优选的技术方案,所述基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位方法还包括如下步骤:
(6)根据放射源位置和γ剂量率等值线图,按照生态环境部标准《辐射事故应急监测技术规范》HJ 1155-2020中的要求,计算规划出内外警戒区的边界;
(7)根据计算规划的内外警戒区边界规划无人机的飞行路径,无人机飞行时通过液体喷淋单元划定事故现场内外警戒区的边界。
作为一种优选的技术方案,所述步骤(1)中,航拍前,根据事故可疑区域的环境及实际需求,设置无人机的飞行高度、速度、路径及拍摄照片数量和拍摄角度;
所述步骤(3)中,根据现场实际情况,可进行两次寻源飞行:第一次寻源飞行时无人机设置较快的飞行速度进行大范围区域快速搜寻,确定放射源所处的大致位置;第二次寻源飞行时无人机设置较慢的飞行速度,根据放射源所处的大致位置进行小范围精确搜寻;
当所述步骤(3)中无人机寻源的飞行速度较快、寻源范围较大时,根据所述步骤(5)确定的放射源位置缩小搜寻范围,减慢飞行速度,进行第二次缜密搜寻,并根据所述步骤(3)~步骤(5)精确定位出放射源的位置。
作为一种优选的技术方案,所述步骤(6)中,对于未屏蔽或破损的放射源,内警戒区边界为以放射源为中心,半径为30m的圆形区域;外警戒区边界为辐射剂量水平小于0.3μSv/h的区域。
本发明的有益效果在于:
本发明提供了基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统及定位方法,具有机动性好、环境适应性强、飞行安全性好、寻源灵敏度和准确度高的优点;在辐射事故下,可快速制作可疑区域的二维/三维高清数字地图,实时获取空间γ剂量率并与高清数字地图相结合,得到基于现场高清数字地图的γ剂量率等值线图,提高搜源的精度和效率,能够自动划定警戒区,最大限度降低工作人员的受照剂量;所述定位系统还可扩展应用到辐射环境本底调查、放射性污染情况监测等领域。
附图说明
图1是本发明基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统的组成示意图;
图2是本发明寻源等值线图;
图3是本发明警戒区划定示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及功效,兹举例以下实施例,并配合附图详细说明如下。需要说明的是,以下实施例是描述性的,不是限定性的,不能由此限定本发明的保护范围。
在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一特征和第二特征直接接触,或第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。而且第一特征在第二特征“之上”、“上方”、“上面”可以是第一特征在第二特征的正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”可以是第一特征在第二特征的正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
文中所称一个元件与另一个元件“固定”时,它可以直接固定到另一个元件上或者也可以通过媒介元件固定。当一个元件被描述为与另一个元件“连接”时,它可以是直接连接到另一个元件或者通过媒介元件连接。本文所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“左侧”、“右侧”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统,如图1所示,包括无人机模块和与所述无人机模块无线通讯连接的地面工作站模块,所述无人机模块包括一架或多架无人机1,所述无人机1设有γ剂量率快速响应测量仪、测高及避障单元、高精度定位单元、液体喷淋单元和远程数据传输与控制单元,所述γ剂量率快速响应测量仪、所述测高及避障单元、所述高精度定位单元、所述液体喷淋单元分别与所述远程数据传输与控制单元通讯连接;所述地面工作站模块包括终端设备,本实施例中,终端设备为无人机遥控器、电脑终端2和智能手机终端,所述终端设备与所述远程数据传输与控制单元通讯连接。
所述无人机1还设有高清摄像头,所述高清摄像头安装于所述无人机1上,并与所述远程数据传输与控制单元通讯连接。无人机1通过地面工作站模块规划飞行航拍,高清摄像头用于将航拍图像通过所述远程数据传输与控制单元实时回传至地面工作站。
所述γ剂量率快速响应测量仪安装于无人机的下方,具有宽量程和快速响应的优势,数据获取时间间隔不超过1s,通过所述远程数据传输与控制单元实时将测量到的γ剂量率回传至地面工作站模块。
所述高精度定位系统采用网络RTK定位技术,定位误差可达厘米级,位置信息通过所述远程数据传输与控制单元实时回传至地面工作站模块。
在搜寻飞行中,地面工作站模块接收到的来自无人机模块回传的数据包括但不限于:测量点的实时经纬度信息、γ剂量率、测量高度、测量时间、实时视频或图片及相关飞行信息等。
本实施例中,无人机模块由一架或多架无人机组成,可将以上所述的γ剂量率快速响应测量仪、测高及避障单元、高精度定位单元、液体喷淋单元中的多个功能单元搭载于一架无人机上使用,也可由搭载以上不同功能单元的多架无人机配合使用,实现可疑区域现场照片采集、γ剂量率快速采集、高精度定位、自主绕障飞行、警戒区划定等功能。
地面工作站模块的终端设备为无人机遥控器、电脑终端和智能手机终端,其中,所述电脑终端与所述智能手机终端安装有数据处理软件,所述数据处理软件包括数字地图制图软件、γ剂量率测量数据实时接收显示软件、γ剂量率热点图或等值线图制作软件。地面工作站模块可实现无人机操控、飞行路径规划、二维/三维高清数字地图制作、剂量率热点图绘制、放射源准确定位等功能。
本实施例中,测高及避障单元包括多个雷达或激光传感器,所述雷达或激光传感器分别安装于所述无人机的上、下、左、右、前、后方位,实现无人机对空间障碍物的全方位监测并进行避障飞行,同时将无人机的高度信息等数据回传至地面工作站模块。
液体喷淋单元包括液体容器8(如液体罐或桶等)、连接管路、压力泵和喷头9,所述液体容器8设于所述无人机1上,所述喷头9通过所述连接管路与所述液体容器8连接,所述压力泵与所述液体容器8连接,并与所述远程数据传输与控制单元通讯连接。划定警戒区时,可根据需要选择合适颜色的液体,并由地面工作站模块规划划定飞行路线和控制喷淋。
本发明实施例的基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统的定位方法包括如下步骤:
步骤S101:利用无人机对事故可疑区域进行航拍,航拍图像实时回传至地面工作站;
在该步骤中,航拍前,根据事故可疑区域的环境及实际需求,设置无人机的飞行高度、速度、路径及拍摄照片数量和拍摄角度。
步骤S102:根据实时回传的航拍图像,使用制图软件如大疆智图等软件制作事故可疑区域的二维/三维高清数字地图;
步骤S103:根据二维/三维高清数字地图,标识障碍物,规划无人机的寻源飞行路径,使无人机开展寻源飞行;
在该步骤中,根据现场实际情况,可进行两次寻源飞行:第一次寻源飞行时无人机设置较快的飞行速度进行大范围区域快速搜寻,确定放射源所处的大致位置;第二次寻源飞行时无人机设置较慢的飞行速度,根据放射源所处的大致位置进行小范围精确搜寻。
步骤S104:无人机寻源飞行时,将测量得到的γ剂量率和网络RTK获取的经纬度等数据实时回传至地面工作站;
步骤S105:通过地面工作站实时查看无人机的飞行信息、飞行作业执行情况和γ剂量率实时变化数据、曲线,根据实时回传的数据,制作基于现场高清数字地图的γ剂量率等值线图,如图2所示,等值线图中心即为放射源位置。
当步骤S103中无人机寻源的飞行速度较快、寻源范围较大时,可根据步骤S105确定的放射源位置缩小搜寻范围,减慢飞行速度,进行第二次缜密搜寻,并根据步骤S103~步骤S105精确定位出放射源的位置。
在定位出放射源的位置后,进一步利用搭载液体喷淋单元的无人机对警戒区进行划界,执行下列步骤:
S106:根据放射源位置和γ剂量率等值线图,按照生态环境部标准《辐射事故应急监测技术规范》HJ 1155-2020中的要求,计算规划出内外警戒区的边界;
在该步骤中,对于未屏蔽或破损的放射源,内警戒区边界为以放射源为中心,半径为30m的圆形区域;外警戒区边界为辐射剂量水平小于0.3μSv/h的区域。
S107:根据计算规划的内外警戒区边界规划无人机的飞行路径,无人机飞行时通过液体喷淋单元划定事故现场内外警戒区的边界。
如图3所示,无人机采用液体喷淋单元对警戒区进行划界,图中3为放射源,4为内警戒区,5为内警戒区界线,6为外警戒区,7为外警戒区界线。
图3仅是本步骤实施方式的一种简单示例,并非旨在要求限制其要求保护本申请的范围。无人机搭载的液体罐或桶中按实际需要装有有色液体(如内警戒边界采用红色,外警戒边界采用黄色),由地面工作站控制无人机按照规划路径喷淋相应颜色的液体,完成内外警戒区划定。
本发明提供了基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统及定位方法,具有机动性好、环境适应性强、飞行安全性好、寻源灵敏度和准确度高的优点;在辐射事故下,可快速制作可疑区域的二维/三维高清数字地图,实时获取空间γ剂量率并与高清数字地图相结合,得到基于现场高清数字地图的γ剂量率等值线图,提高搜源的精度和效率,能够自动划定警戒区,最大限度降低工作人员的受照剂量;所述定位系统还可扩展应用到辐射环境本底调查、放射性污染情况监测等领域。
以上所述,仅为本发明的较佳的具体实施例,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统,其特征在于,包括无人机模块和与所述无人机模块无线通讯连接的地面工作站模块,所述无人机模块包括一架或多架无人机,所述无人机设有γ剂量率快速响应测量仪、测高及避障单元、高精度定位单元、液体喷淋单元和远程数据传输与控制单元,所述γ剂量率快速响应测量仪、所述测高及避障单元、所述高精度定位单元、所述液体喷淋单元分别与所述远程数据传输与控制单元通讯连接;所述地面工作站模块包括终端设备,所述终端设备与所述远程数据传输与控制单元通讯连接。
2.根据权利要求1所述的基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统,其特征在于,所述无人机还设有高清摄像头,所述高清摄像头安装于所述无人机上,并与所述远程数据传输与控制单元通讯连接,用于将航拍图像通过所述远程数据传输与控制单元实时回传至地面工作站。
3.根据权利要求1所述的基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统,其特征在于,所述测高及避障单元包括多个雷达或激光传感器,所述雷达或激光传感器分别安装于所述无人机的上、下、左、右、前、后方位。
4.根据权利要求1所述的基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统,其特征在于,所述液体喷淋单元包括液体容器、连接管路、压力泵和喷头,所述液体容器设于所述无人机上,所述喷头通过所述连接管路与所述液体容器连接,所述压力泵与所述液体容器连接,并与所述远程数据传输与控制单元通讯连接。
5.根据权利要求1所述的基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统,其特征在于,所述终端设备包括无人机遥控器、电脑终端和智能手机终端。
6.根据权利要求5所述的基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位系统,其特征在于,所述电脑终端与所述智能手机终端设有数据处理软件,所述数据处理软件包括数字地图制图软件、γ剂量率测量数据实时接收显示软件、γ剂量率热点图或等值线图制作软件。
7.基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)利用无人机对事故可疑区域进行航拍,航拍图像实时回传至地面工作站;
(2)根据实时回传的航拍图像,使用制图软件制作事故可疑区域的二维/三维高清数字地图;
(3)根据二维/三维高清数字地图,标识障碍物,规划无人机的寻源飞行路径,使无人机开展寻源飞行;
(4)无人机寻源飞行时,将测量得到的γ剂量率和经纬度数据实时回传至地面工作站;
(5)通过地面工作站实时查看无人机的飞行信息、飞行作业执行情况和γ剂量率实时变化数据、曲线,根据实时回传的数据,制作基于现场高清数字地图的γ剂量率等值线图,等值线图中心即为放射源位置。
8.根据权利要求7所述的基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位方法,其特征在于,还包括如下步骤:
(6)根据放射源位置和γ剂量率等值线图,按照生态环境部标准《辐射事故应急监测技术规范》HJ 1155-2020中的要求,计算规划出内外警戒区的边界;
(7)根据计算规划的内外警戒区边界规划无人机的飞行路径,无人机飞行时通过液体喷淋单元划定事故现场内外警戒区的边界。
9.根据权利要求7所述的基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位方法,其特征在于,所述步骤(1)中,航拍前,根据事故可疑区域的环境及实际需求,设置无人机的飞行高度、速度、路径及拍摄照片数量和拍摄角度;
所述步骤(3)中,根据现场实际情况,可进行两次寻源飞行:第一次寻源飞行时无人机设置较快的飞行速度进行大范围区域快速搜寻,确定放射源所处的大致位置;第二次寻源飞行时无人机设置较慢的飞行速度,根据放射源所处的大致位置进行小范围精确搜寻;
当所述步骤(3)中无人机寻源的飞行速度较快、寻源范围较大时,根据所述步骤(5)确定的放射源位置缩小搜寻范围,减慢飞行速度,进行第二次缜密搜寻,并根据所述步骤(3)~步骤(5)精确定位出放射源的位置。
10.根据权利要求8所述的基于民用小型无人机的高精度放射源搜寻定位方法,其特征在于,所述步骤(6)中,对于未屏蔽或破损的放射源,内警戒区边界为以放射源为中心,半径为30m的圆形区域;外警戒区边界为辐射剂量水平小于0.3μSv/h的区域。
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