CN114371494B - 面向自主寻源机器人的放射源场景模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向自主寻源机器人的放射源场景模拟方法，通过模拟工作站上的放射源场景模拟系统接收用户输入的标识体坐标和计数率值；基于激光雷达序列，获取实验区中机器人的实时坐标；计数率发生器基于标识体坐标和实时坐标，计算实时坐标处的辐射计数率数值，并通过放射源场景模拟系统的服务器程序进程发布出来；移动机器人访问放射源场景模拟系统，以获取辐射计数率数值。本发明提供一种面向自主寻源机器人的放射源场景模拟方法，不需要使用真实放射源，可在应用中减少操作人员与真实的放射源进行接触，保证操作安全，同时有效控制了现有验证中的需要经常开启放射源造成的管理成本和经济成本。

Description

面向自主寻源机器人的放射源场景模拟方法

技术领域

本发明涉及放射源搜寻领域。更具体地说，本发明涉及一种验证搜寻策略的正确性和机器人系统工作的有效性情况下使用的面向自主寻源机器人的放射源场景模拟方法。

背景技术

采用移动机器人搜寻放射源是核应急、核安检的重要手段。为验证搜寻策略的正确性和机器人系统工作的有效性，需要对其进行原理性验证测试。自主寻源机器人是机器人技术在核能领域的创新应用，有利于减少传统人工寻源带来的人员被辐照风险，而且其智能化优势带来的探测效率提升，在核安检、核应急等事故场景下具有重大的应用价值。

常规的自主寻源验证方法是将真实放射源放置在实验区某处，自主寻源机器人进入该区域后，通过分析探测器采集的数据来判断放射源方位并调整移动方向，直到确定放射源位置。由于是自主寻源方式，机器人运动参数、软件系统配置参数、探测器参数、智能算法调节参数需要通过反复测试来调节、优化，直到获得稳定的经验参数。

现有的验证方法通常是采用真实放射源来直接测试，带来的问题有两方面：一是，实验人员需要一直在有放射源的实验区域开展工作，故使得实验人员会经常接触放射源，不断优化寻源算法和机器人系统参数，导致实验人员长时间暴露在辐射环境中，而长时间的暴露不利于身体健康；二是，放射源是一种管理严格的实验资源，为开展实验测试，需要为开展实验付出较大的管理和经济成本。

而为了解决使问题一，现有技术中也有通过设置模拟器来实现人与放射源的不接触，如专利名称为：一种射线源及探测器系统模拟器，其应用场景是通过一套放射源模拟器直接生成探测器电信号，经多功能数字通道器处理后形成测量数据，主要用于本地核电子信号的数字分析。显然，该装置无法模拟寻源机器人需要的位置未知的放射源。而且，放射源模拟器与多功能数字通道器的有线连接方式，也无法为自主寻源机器人提供一种无线的核辐射探测数据获取方法。另外，也无法得到环境位置信息，进而无法模拟跟空间位置相关的核辐射场景，故其虽然能部分解决实验中的问题，却无法与自主寻源机器人的应用场景相配合，只适应于教学场景中，无法应用于搜寻放射源的实际实验或研究中。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种面向自主寻源机器人的放射源场景模拟方法，包括：

步骤一，在实验区内设置用于模拟放射源的标识体，且在实验区建立以左上角为原点的平面坐标系XOY；

步骤二，通过模拟工作站上的放射源场景模拟系统接收用户输入的标识体坐标（x_s, y_s）和计数率值I_s；

步骤三，放射源场景模拟系统基于与其通信连接的激光雷达序列，获取实验区中机器人的实时坐标（x_t, y_t）；

步骤四，放射源场景模拟系统的计数率发生器基于标识体坐标（x_s, y_s）和实时坐标（x_t, y_t），计算实时坐标（x_t, y_t）处的辐射计数率数值c_t，并通过放射源场景模拟系统的服务器程序进程发布出来；

步骤五，移动机器人通过相配合的无线通信模块访问放射源场景模拟系统，以获取辐射计数率数值c_t 。

优选的是，在步骤一中，所述实验区被配置为采用宽度为a米，长度为b 米的矩形平面区域；

所述激光雷达序列是基于实验区长度配置的多台同型号的激光雷达，并沿X轴均匀间隔进行固定，并通过交换机与模拟工作站进行数据通信；

所述标识体放置在实验区后，所述标识体坐标（x_s, y_s）是标识体中心在在XOY中的二维坐标。

优选的是， 在步骤三中，所述实时坐标（x_t, y_t）是基于激光雷达序列采集的点云信息进行计算以得到，其计算方式被配置为包括：

S30、从激光雷达序列中采集点云集P={S ₁ , S ₂ …S _n }，其中，S _i 是来自于激光雷达i的点云，且1≤i≤n；

S31、采用聚类方法从点云S _i 中提取表示移动机器人的点云R _i ,计算R _i 中心到激光雷达i的距离d _i ；

S32、选出d _i 最小值对应的R _i ，根据激光雷达i与移动机器人的距离和角度关系计算出移动机器人在XOY中的坐标值（x _t , y _t ）。

优选的是，在步骤四中，所述计数率发生器计算辐射计数率数值c_t的处理流程被配置为包括：

S40，基于标识体坐标（x _s , y _s ）和计数率值I _s 设置模拟放射源的参数；

S41，计算标识体坐标（x_s, y_s）和实时坐标（x_t, y_t）之间的距离h_t，并设置环境背景计数率λ _b ；

S42，基于公式一计算移动机器人位置处的理论计数率数值λ _t :

(1)；

S43，模拟辐射探测的随机性，将公式一中的理论计数率数值λ _t 设置为泊松分布的均值，采用公式二的泊松分布函数作为随机数生成器，生成对应的泊松分布随机数c _t ，将c _t 设置为移动机器人位置处的计数率数值；

(2)；

S44，运行模拟工作站上的服务器程序，通过相应端口K发布上述计数率数值c _t ；

在步骤五中，所述移动机器人通过客户端方式连入服务器程序，以从所述端口k获取当前位置的计数率数值c _t 。

优选的是，所述移动机器人的客户端与服务器程序采用报文进行数据交互；

其中，所述服务器程序的工作流程被配置为包括：

S10，打开K端口启动计数率服务；

S11，如果需要结束计数率发布服务，则直接退出流程；否则，继续下一步骤；

S12，获取计数率数值c _t ；

S13，等待客户端接入端口K，当有客户端接入，验证移动机器人身份信息；

S14，如果移动机器人身份信息不合法，生成拒绝报文，并发送给客户端；否则，继续下一步骤；

S15，生成计数率响应报文，并发送给客户端；

S16，结束当前客户端连接，返回S11；

所述移动机器人的客户端工作流程被配置为包括：

S20，根据移动机器人身份信息生成计数率请求报文；

S21，连接到工作站服务器端口K；

S22，收到服务器返回报文后，判断是否是拒绝报文，若是则退出流程；否则，继续下一步骤；

S23,接收计数率报文；

S24，读取计数率数值，并退出流程。

优选的是，所述放射源场景模拟系统被配置为包括：

用于接收用户的输入数据、完成计算结果反馈和显示的人机交互模块；

基于激光雷达序列采集的点云信息计算移动机器人坐标的激光扫描定位模块；

基于移动机器人坐标计算移动机器人位置处的辐射计数率数值，并发布给移动机器人的计数率发生器；

通过高速交换机从各激光雷达获取移动机器人点云信息的点云采集模块；

用于支持移动机器人访问放射源场景模拟系统数据的网络通信模块。

一种与放射源场景模拟方法相配合的装置，包括：

设置有放射源场景模拟系统的模拟工作站；用于模拟放射源寻源验证的实验区，其内设置有模拟放射源的标识体；

在实验区内验证搜寻策略的自主寻源机器人；

设置在实验区一侧以获取移动机器人位置信息的激光雷达序列；

用于将激光雷达序列与模拟工作站进行通信连接的交换机，所述交换机通过相配合的无线路由器与移动机器人通信连接。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明开发了一套不需要使用真实放射源的放射源场景模拟方法，作为搜寻放射源工作中建立搜寻策略的模拟验证的前端工作，通过激光雷达实时获取机器人在实验区的实时位置，进一步通过计数率发生器得到机器人所在处的辐射计数率数值，以供搜寻策略验证的进行参数引用，减少操作人员与真实的放射源进行接触，保证操作安全，同时有效控制了现有验证中的需要经常开启放射源造成的管理成本和经济成本。

其二，本发明的模拟方法中采用的模拟放射源硬件装置更加简单，能有效减少开发投入，提高工作效率。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中放射源场景模拟系统的硬件结构示意图；

图2为本发明的另一个实施例中放射源场景模拟系统中各模块的组成框图；

图3为模拟工作站服务器程序的工作流程；

图4为移动机器人客户端的工作流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1，本发明的一种面向自主寻源机器人的放射源场景模拟方法对应的系统硬件结构，包括：

模拟工作站1（其上运行放射源场景模拟系统）、模拟放射源标识体2（肉眼可识别的规则几何体，比如红色正方体）、激光雷达序列3（由n个激光雷达组成，最大探测距离为l米）、无线路由器4、高速交换机5、实验区6（宽度a米、长度b米，而且a≤l）。

系统布局：选择一块a米宽、b米长的矩形平面区域为实验区，并建立以左上角为原点的平面坐标系XOY；根据长度b选择n台同型号激光雷达，并沿X轴均匀间隔固定；将模拟放射源标识体放置在实验区内，并准确测得其中心在XOY中的二维坐标（x _s , y _s ）；模拟工作站、无线路由器、n台激光雷达通过高速以太网接入高速交换机；无线路由器提供无线网络接入，方便参与模拟实验的移动机器人从模拟工作站获取所在位置点的辐射计数率数值。

模拟工作站是一台高性能计算机，其上运行放射源场景模拟系统，根据实验区移动机器人的检测情况计算其所处位置的辐射计数率数值。放射源场景模拟系统各模块关系图如图2所示包括：人机交互模块、激光扫描定位模块、计数率发生器、点云采集模块和网络通信模块，具体来说：

人机交互模块支持提供数据输入、计算结果反馈和显示。

激光扫描定位模块根据激光雷达序列采集的点云信息计算移动机器人坐标。

计数率发生器模块根据移动机器人坐标计算移动机器人位置处的辐射计数率数值，并发布给移动机器人。

点云采集模块通过高速交换机从各激光雷达获取移动机器人的点云信息。

网络通信模块支持移动机器人访问系统数据。

移动机器人进入实验区后，可以通过无线路由器提供的无线接入获取其所在位置点的辐射计数率数值。而放射源场景模拟系统的工作流程被配置为包括:

步骤一，启动模拟工作站的放射源场景模拟系统。

步骤二，操作人员通过放射源场景模拟系统的人机交互模块输入模拟放射源标识体的坐标（x _s , y _s ）和计数率值I _s 。

步骤三，放射源场景模拟系统的激光扫描定位模块获取激光雷达序列采集的点云集P，计算出移动机器人在XOY中的坐标值（x _t , y _t ）。

步骤四，放射源场景模拟系统的计数率发生器根据（x _t , y _t ）和（x _s , y _s ）计算（x _t , y _t ）点处的辐射计数率数值c _t ，并通过服务器进程发布出来。

步骤五， 当移动机器人接入无线路由器后，可访问模拟工作站得到辐射计数率数值c _t ；

其中，在步骤三中，激光扫描定位模块根据激光雷达序列采集的点云信息计算移动机器人坐标；具体工作过程：

1、从激光雷达序列中采集点云集P={S ₁ , S ₂ …S _n }，其中，S _i 是来自于激光雷达i的点云（1≤i≤n）；

2、采用聚类方法从点云S _i 中提取表示移动机器人的点云R _i ,计算R _i 中心到激光雷达i的距离d _i ；

3、选出d _i 最小值对应的R _i ，根据激光雷达i与移动机器人的距离和角度关系计算出移动机器人在XOY中的坐标值（x _t , y _t ）；

在步骤四-五中，计数率发生器根据移动机器人坐标计算移动机器人位置处的辐射计数率数值，并发布给移动机器人，具体工作过程包括：

1、根据操作人员通过人机接口模块输入的（x _s , y _s ）和计数率值I _s 设置模拟放射源参数。

2、计算（x _t , y _t ）与（x _s , y _s ）的距离值h _t ,设置环境背景计数率λ _b 。

3、根据下述公式计算移动机器人位置处的理论计数率数值。

(1)；

4、模拟辐射探测的随机性，根据下述泊松分布生成随机数c _t ，作为移动机器人位置处的统计计数率数值。

(2)；

具体来说，将公式一中的理论计数率数值λ _t 设置为泊松分布的均值，采用公式二的泊松分布函数作为随机数生成器，生成对应的泊松分布随机数c _t ，将c _t 设置为移动机器人位置处的计数率数值；

5、运行服务器程序，通过特定端口K发布上述计数率数值c _t ，服务器端的工作流程如图3所示。

6、如果有移动机器人通过客户端方式连入该服务器程序，可以从上述端口K中获取所处位置的计数率数值c _t ，客户端的工作流程如图4所示。

如图3-4，

所述移动机器人客户端与服务器程序采用报文进行数据交互；

其中，所述服务器程序的工作流程被配置为包括：

S10，打开K端口启动计数率服务；

S11，如果需要结束计数率发布服务，则直接退出流程；否则，继续下一步骤；

S12，获取计数率数值c _t ；

S13，等待客户端接入端口K，当有客户端接入，验证移动机器人身份信息；

S14，如果移动机器人身份信息不合法，生成拒绝报文，并发送给客户端；否则，继续下一步骤；

S15，生成计数率响应报文，并发送给客户端；

S16，结束当前客户端连接，返回S11；

所述机器人客户端工作流程被配置为包括：

S20，根据移动机器人身份信息生成计数率请求报文；

S21，连接到工作站服务器端口K；

S22，收到服务器返回报文后，判断是否是拒绝报文，若是则退出流程；否则，继续下一步骤；

S23,接收计数率报文；

S24，读取计数率数值，并退出流程。

在实际应用中，服务器端与客户端的报文分类包括：

1）计数率请求报文格式：00XX

2）计数率响应报文格式：10BBBBBBBB

3）拒绝报文格式：11

同时，服务器端与客户端报文采用ASCII码表示：

1）计数率请求报文4个ASCII码，“00”是报文标识码，“XX”是发出请求的机器人编号的ASCII码。

2）计数率响应报文10个ASCII码， ########，“00” 是报文标识码，“########”是计数率数值的ASCII码。

3）拒绝报文2个ASCII码，“11”是报文标识码。

当一台移动机器人获取c _t 后，会通过计算系统中的参数估计算法（比如最大似然法、粒子滤波法等），对c _t 、机器人自定位坐标进行统计分析，最后计算出放射源的可能坐标。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种面向自主寻源机器人的放射源场景模拟方法，其特征在于，包括：

步骤一，在实验区内设置用于模拟放射源的标识体，且在实验区建立以左上角为原点的平面坐标系XOY；

步骤二，通过模拟工作站上的放射源场景模拟系统接收用户输入的标识体坐标（x_s,y_s）和计数率值I_s；

步骤三，放射源场景模拟系统基于与其通信连接的激光雷达序列，获取实验区中移动机器人的实时坐标（x_t, y_t）；

步骤四，放射源场景模拟系统的计数率发生器基于标识体坐标（x_s, y_s）和实时坐标（x_t, y_t），计算实时坐标（x_t, y_t）处的辐射计数率数值c _t ，并通过放射源场景模拟系统的服务器程序进程发布出来；

步骤五，移动机器人通过相配合的无线通信模块访问放射源场景模拟系统，以获取辐射计数率数值c _t ；

在步骤一中，所述实验区被配置为采用宽度为a米，长度为b 米的矩形平面区域；

所述激光雷达序列是基于实验区长度配置的多台同型号的激光雷达，并沿X轴均匀间隔进行固定，并通过交换机与模拟工作站进行数据通信；

所述标识体放置在实验区后，所述标识体坐标（x_s, y_s）是标识体中心在在XOY中的二维坐标；

在步骤三中，所述实时坐标（x_t, y_t）是基于激光雷达序列采集的点云信息进行计算以得到，其计算方式被配置为包括：

S30、从激光雷达序列中采集点云集P={S ₁ , S ₂ …S _n }，其中，S _i 是来自于激光雷达i的点云，且1≤i≤n，n是激光雷达的数目；

S31，采用聚类方法从点云S _i 中提取表示移动机器人的点云R _i ,计算R _i 中心到激光雷达i的距离d _i ；

S32，选出d _i 最小值对应的R _i ，根据激光雷达i与移动机器人的距离和角度关系计算出移动机器人在XOY中的坐标值（x _t , y _t ）；

在步骤四中，所述计数率发生器计算辐射计数率数值c _t 的处理流程被配置为包括：

S40，基于标识体坐标（x _s , y _s ）和计数率值I _s 设置模拟放射源的参数；

S41，计算标识体坐标（x_s, y_s）和实时坐标（x_t, y_t）之间的距离h_t，并设置环境背景计数率λ _b ；

S42，基于公式一计算移动机器人位置处的理论计数率数值λ _t :

(1)；

S43，模拟辐射探测的随机性，将公式一中的理论计数率数值λ _t 设置为泊松分布的均值，采用公式二的泊松分布函数作为随机数生成器，生成对应的泊松分布随机数c _t ，将c _t 设置为移动机器人位置处的计数率数值；

(2)；

S44，运行模拟工作站上的服务器程序，通过相应端口K发布上述计数率数值c _t ；

在步骤五中，所述移动机器人通过客户端方式连入服务器程序，以从所述端口K获取当前位置的计数率数值c _t ；

所述移动机器人的客户端与服务器程序采用报文进行数据交互；

其中，所述服务器程序的工作流程被配置为包括：

S10，打开K端口启动计数率服务；

S11，如果需要结束计数率发布服务，则直接退出流程，否则，继续下一步骤；S12，获取计数率数值c _t ；

S13，等待客户端接入端口K，当有客户端接入，验证移动机器人身份信息；

S14，如果移动机器人身份信息不合法，生成拒绝报文，并发送给客户端；否则，继续下一步骤；

S15，生成计数率响应报文，并发送给客户端；

S16，结束当前客户端连接，返回S11；

所述移动机器人的客户端工作流程被配置为包括：

S20，根据移动机器人身份信息生成计数率请求报文；

S21，连接到工作站服务器端口K；

S22，收到服务器返回报文后，判断是否是拒绝报文，若是则退出流程；否则，继续下一步骤；

S23，接收计数率报文；

S24，读取计数率数值，并退出流程；

其中，服务器端与客户端的报文分类包括：

计数率请求报文格式：00XX；

计数率响应报文格式：10BBBBBBBB；

拒绝报文格式：11 。

2.如权利要求1所述的面向自主寻源机器人的放射源场景模拟方法，其特征在于，所述放射源场景模拟系统被配置为包括：

用于接收用户的输入数据、完成计算结果反馈和显示的人机交互模块；

基于激光雷达序列采集的点云信息计算移动机器人坐标的激光扫描定位模块；

基于移动机器人坐标计算移动机器人位置处的辐射计数率数值，并发布给移动机器人的计数率发生器；

通过交换机从各激光雷达获取移动机器人点云信息的点云采集模块；

用于支持移动机器人访问放射源场景模拟系统数据的无线通信模块。

3.一种与如权利要求1-2任一项放射源场景模拟方法相配合的装置，其特征在于，包括：

设置有放射源场景模拟系统的模拟工作站；用于模拟放射源寻源验证的实验区，其内设置有模拟放射源的标识体；

在实验区内验证搜寻策略的移动机器人；

设置在实验区一侧以获取移动机器人位置信息的激光雷达序列；

用于将激光雷达序列与模拟工作站进行通信连接的交换机，所述交换机通过相配合的无线路由器与移动机器人通信连接。

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