专利名称：基于遥操作装置的放射性污染源定位系统及方法
技术领域：
本发明属于放射性物质探测技术领域，涉及移动机器人、激光测距、图像处理等多种技术，具体涉及一种基于遥操作装置的放射性污染源定位系统及方法。
背景技术：
在核安全、核废物处置和核事故应急处理过程中，为妥善处置放射性污染源并恢复现场到安全状态，必须首先发现并定位放射性污染源，之后再对污染源进行去污作业，也就是在机器人身上安装上去污工具后，把具有放射性的物体从某个位置取出，并对放射性的物体进行密封、转移和储存。但在很多情况下，放射性污染源的准确位置和数量事先未知，这给安全可靠的污染源处理工作带来很大的困难。如果找不到这些未知的放射源并及时地进行处理，那么周边的自然环境将面临极大的安全隐患，危及人类的生产和生活。另夕卜，核废物处置和核事故应急处理现场一般处于较大的地理区域，要求放射源的定位方法适合便携式，并支持无人操作。目前，国内外市场的放射源定位装置较多，应用也比较广泛。一类是对已知放射源进行定位的产品，通过在放射源某部位安装信号发送装置，然后采用无线通信的方式定位放射源；比如，申请号201120161938. 3和200920094347. I专利提到的装置；显然，这些不适用于定位未知放射源。另一类是对未知或者不确定放射源进行定位的产品，通过安装射线探测器件来发现放射源。其传统产品可对射线进行简单的探测，并报告所处位置的辐射剂量信息，但不能找到放射源的准确方位。为解决该问题，出现了一些可定位放射源的装置。比如，申请号200710308543. X专利提到了一种能定位放射源的装置，根据两次探测信号的差值确定放射源方位，但其手持式操作方法不适合无人操作。为支持移动的无人探测，出现了一些基于移动机器人的放射性探测系统。比如，美国FORSTER-MILLER公司研制的TALON型遥操作机器人，法国INTRA集团开发的ERASE型机器人等。在国内，申请号200810156538. 6和201010172517. O专利也提到了类似的产品，实现了放射性探测功能，但对如何准确定位放射源的问题并未做进一步设计。另外，在诸多放射性探测仪器中，伽玛相机利用光学成像原理合成放射源的伽玛能谱分布图像，是放射源定位的很好选择。但伽玛相机通常被固定安装在某处，对放射源进行测量分析，其移动和使用不够灵活。申请号201010159760. 9专利提到了可搭载伽玛相机的移动机器人，扩展了伽玛相机的应用场合。但是，核废物处置或者核应急处理现场的作业环境非常恶劣，如强烈的振动、浓密的尘埃、飞溅的碎片等等。如果机器人直接携带伽玛相机定位放射源、现场作业可能危及精密而且昂贵的伽玛相机，造成很大的经济损失并耽误现场工作。

发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足之处，提供一种基于遥操作装置的放射性污染源定位系统及方法，不仅可以对未知放射性污染源进行准确定位，而且在卸载伽玛相机的情况下仍能对放射性污染源进行重新定位，从而控制机器人执行核废物处置和核事故应急处理作业，避免伽玛相机因保护不当而被破坏的可能。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于遥操作装置的放射性污染源定位系统，包括定位设备、定位通信设备、后台通信设备、工作站、定位设备控制手柄；所述定位通信设备通过通信线缆与后台通信设备连接；其特征在于所述定位设备包括云台、激光测距仪、探测相机和伽玛相机；所述云台和激光测距仪均与定位通信设备的串口服务器相连接；所述探测相机与定位通信设备的视频服务器连接；所述伽玛相机与定位通信设备的伽玛图像采集器连接；所述视频服务器、串口服务器和伽玛图像采集器均与交换机连接；所述工作站与后台通信设备连接。所述工作站包括电脑主机和显示屏；所述电脑主机设置有定位模块和重定位模块；所述定位模块包括观察点坐标测量模块；所述重定位模块包括污染源轮廓生产模块。所述云台上设置有铅屏蔽罩和伽玛相机安装支架；所述激光测距仪和探测相机叠放在一起设置在铅屏蔽罩内；所述伽玛相机设置在伽玛相机安装支架内部。所述后台通信设备包括交换机。一种基于遥操作装置的放射性污染源定位方法，包括以下步骤A、在机器人身上安装定位设备、定位通信设备、电源和线缆；B、机器人进入核辐射现场；C、定位，通过定位设备，对污染区域和污染源进行定位；D、机器人退场；机器人完成探测任务后，退出核辐射现场；E、卸载伽玛相机，并安装去污工具；机器人退出核辐射现场后，将云台上的伽玛相机卸载下来，并在机器人身上安装上放射物去污工具；F、重定位，安装上去污工具的机器人重新进入核辐射现场通过定位设备，对污染区域和污染源重定位；G、机器人去污作业；机器人根据定位设备重定位的污染区域和污染源，开始对核辐射污染物进行去污处理；H、继续，工作人员根据定位的污染区域判断是否继续控制机器人去污作业，若继续去污作业返回步骤F ;若不继续去污作业则进入步骤I ;I、机器人退场，机器人完成去污作业后，退出核辐射现场。上述步骤A中，优选的实施方式是在机器人身上搭载一个台式支架，然后利用固定螺钉将云台固定在台式支架上，再在铅屏蔽罩内安装激光测距仪和探测相机，在伽玛相机安装支架内安装伽玛相机；同时把定位通信设备、激光测距仪电源、探测相机电源、伽玛相机电源和隔离变压器固定在一个铅层屏蔽的电气箱内，并将电气箱挂在机器人身上；激光测距仪电源、探测相机电源、伽玛相机电源均与隔离变压器连接；将机器人通信线缆和机器人电源线缆接入电气箱箱体内，机器人通信线缆与定位通信设备的交换机连接；机器人电源线缆接入隔离变压器；定位通信设备的交换机通过通信线缆与后台通信设备的交换机连接。上述步骤C包括以下分步骤 Cl、通过伽玛相机观察辐射环境；机器人在核辐射现场通过伽玛相机观察周围辐射环境，并判断是不是污染区域；若是污染区域进入步骤C2 ;若不是污染区域，机器人通过伽玛相机继续观测；
C2、污染区域定位，利用伽玛相机找到污染源后，以机器人身上的定位设备的几何中心为观察点，并以观察点为原点建立局部极坐标系，利用云台、激光测距仪和探测相机测量空间信息和污染区域图像；在现场寻找一特征点，利用云台和激光测距仪分别测量这个特征点相对于观察点的转角及观察点到这个特征点的距离，利用探测相机采集污染区域图像，并以这个特征点为原点建立全局直角坐标系；在全局直角坐标系的三条轴线上寻找三个特征点，并利用云台和激光测距仪测量三个特征点相对于观察点的转角及观察点到三个特征点的距离；视频服务器和串口服务器将污染区域图像及四个特征点的空间信息传送给定位通信设备的交换机转换数据后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将污染区域图像及四个特征点的空间信息转换后传送给工作站；
C3、污染源定位，利用伽玛相机采集无辐射剂量信息的伽玛图像和有辐射剂量信息的伽玛图像，伽玛图像采集器将上述伽玛相机采集的图像数据信息传送给定位通信设备的交换机转换后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将上述伽玛相机采集的图像数据信息转换后传送给工作站；工作站将步骤C2得到的污染区域图像及四个特征点的空间信息整合利用观察点坐标测量模块确定观察点在全局直角坐标系下的坐标即观察点坐标(X，Y，Z);由于在步骤C2中找到污染源后，机器人是静止不动的，因此观察点坐标(X，Y，Ζ)确定后，污染源的几何方位也即确定；C4、继续，工作人员根据辐射现场的情况判断是否继续控制机器人探测新的污染区域，若继续探测新的污染区域返回步骤Cl ;若不继续探测新的污染区域进入步骤D。上述步骤F包括以下分步骤F1、污染区域重定位，通过探测相机探测区域，并与步骤C2获得的污染区域图像对照；工作人员控制机器人利用云台、激光测距仪和探测相机瞄准步骤C2确定的全局直角坐标系的原点；以机器人身上的定位设备的几何中心为观察点，并以观察点为原点建立局部极坐标系；F2、继续，若步骤Fl中探测相机探测的区域图像与步骤C2获得的污染区域图像相同，则污染区域重定位任务完成，进入步骤F3 ;如若步骤Fl中探测相机探测的区域图像与步骤C2获得的污染区域图像不相同，则没有找到污染区域，需要继续对污染区域重定位，返回步骤Fl ；F3、污染源重定位，步骤Fl中工作人员控制机器人找到步骤C2确定的全局直角坐标系的原点后，利用云台和激光测距仪测量全局直角坐标系的原点相对于观察点的转角及观察点到全局直角坐标系原点的距离；在全局直角坐标系的三条轴线上寻找三个特征点，并利用云台和激光测距仪测量三个特征点相对于观察点的转角及观察点到三个特征点的距离；串口服务器将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息传送给定位通信设备的交换机转换数据后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息转换后传送给工作站；工作站将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息整合利用观察点坐标测量模块确定观察点在全局直角坐标系下的坐标即观察点坐标{V ,V ,1' );工作站将步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Ζ)与本步骤得到的观察点坐标(X' ,V ,1' )比较；若步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)与本步骤得到的观察点坐标(X'，V , I') 一致，则机器人位置在步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)，此时利用探测相机采集污染源图像；利用污染源轮廓生成模块将步骤C3中得到的污染源的有辐射剂量信息的伽玛图像、无辐射剂量信息的伽玛图像及本步骤中利用探测相机采集的污染源图像匹配得到污染源轮廓1，并把污染源轮廓I绘制在探测相机的视频区域，作为工 作人员控制机器人去污时判断污染源准确位置的依据；若步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)与本步骤得到的观察点坐标(X' ,V ,1')不一致，根据本步骤得到的观察点坐标(X' ,Y' ,1')相对于步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)的变化调整机器人的位置，并返回步骤F1。采用步骤C3和步骤F3中的观察点坐标测量模块确定观察点坐标包括以下步骤a、开始，确定局部极坐标系，以机器人身上的定位设备的几何中心为观察点，并以观察点为原点建立局部极坐标系；b、测量四个特征点的基本信息，在辐射现场中寻找一特征点，测量这个特征点相对于观察点的转角及观察点到这个特征点的距离，并以这个特征点为原点建立全局直角坐标系；在全局直角坐标系的三条轴线上寻找三个特征点，并测量三个特征点相对于观察点的转角及观察点到三个特征点的距离；由此得到四个特征点在局部极坐标系下的坐标；C、计算特征点在全局直角坐标系下的坐标，将四个特征点在局部极坐标系下的坐标转换成局部直角坐标系下的坐标，并通过四个特征点在局部直角坐标系下的坐标计算出步骤b中除作为全局直角坐标系原点的特征点以外的三个特征点相对于全局直角坐标系原点的坐标；d、构建求取旋转平移关系的矩阵计算式，利用步骤c得到的除作为全局直角坐标系原点的特征点以外的三个特征点在全局直角坐标系与局部直角坐标系下的坐标构建求取全局直角坐标系与局部直角坐标系的旋转平移关系的矩阵计算式；e、获得旋转平移矩阵，通过步骤d求得全局直角坐标系与局部直角坐标系的旋转平移关系，即获得旋转平移矩阵；f、根据旋转平移矩阵推算观察点坐标，步骤e得到的旋转平移矩阵结合观察点在局部直角坐标系下的坐标即可得到观察点在全局直角坐标系下的坐标，即观察点坐标；g、结束。步骤F3中利用污染源轮廓生成模块得到污染源轮廓I的方法包括以下步骤h、从有辐射剂量信息的伽玛图像中提取污染源轮廓X ；i、将步骤h得到的污染源轮廓X和无辐射剂量信息的伽玛图像整合并处理得到污染源轮廓X包围的图像；j、利用SIFT算法分别从污染源轮廓X包围的图像和步骤F3利用探测相机采集的污染源图像中提取出各自的特征点，并计算所有特征点的SIFT特征向量；k、利用步骤j得到的特征点的SIFT特征向量的欧式距离建立以特征点为根节点的平衡二叉树；I、遍历所有步骤k得到的特征点平衡二叉树，根据最近邻算法计算污染源轮廓X 包围的图像和步骤F3利用探测相机采集的污染源图像匹配的特征点；m、利用ORSA算法消除步骤I中得到匹配特征点中的错误匹配点；η、经步骤m消除错误匹配点后的污染源轮廓x包围的图像与步骤F3利用探测相机采集的污染源图像对应的匹配特征点根据最小二乘原理计算污染源轮廓X包围的图像到步骤F3利用探测相机采集的污染源图像的仿射变换矩阵M ;如果能计算出M进入步骤P ；如果不能计算出M，将步骤h得到的污染源轮廓X向外扩张I 50像素并返回步骤i ;当扩张污染源轮廓X的次数大于设定的δ次，δ > 1，则污染源轮廓X包围的图像和步骤F3利用探测相机采集的污染源图像匹配失败，需要返回步骤A重新对污染区域和污染源定位；ρ、由仿射变换矩阵M计算出污染源轮廓X包围的图像经过变换后的对应步骤F3利用探测相机采集的污染源图像上的污染源轮廓I。
本发明采用的铅屏蔽罩具有抗辐射作用，可以用来保护激光测距仪和探测相机等敏感光学和电子器件。铅屏蔽罩上设置有铅玻璃窗口 ；探测相机通过铅玻璃窗口采集图像，激光测距仪通过铅玻璃窗口发出激光。本发明提供的基于遥操作装置的放射性污染源定位系统及方法具有以下有益效果I、将机器人清理污染区域的过程分为两个阶段确定污染区域和污染源的位置和对污染区域内的污染源的处理；在确定污染区域和污染源的位置时，综合应用激光测距仪、探测相机和伽玛相机对污染区域和污染源进行精确定位，确定机器人作业的有效区域，提高工作效率；在对污染区域内的污染源的处理过程中，卸载伽玛相机，确保伽玛相机的安全，有效保护伽玛相机；2、在卸载伽玛相机后，仍可根据污染区域和污染源定位过程中采集的图像，再利用激光测距仪和探测相机及污染源轮廓生成模块对污染区域及污染源进行重新定位，进而为机器人清理污染源提供可靠依据；3、在污染区域和污染源定位过程中，利用观察点坐标测量模块可以对污染源准确定位;4、定位通信设备和后台通信设备协调定位设备中激光测距仪、探测相机和伽玛相机与工作站之间的通信，采用统一的远距离数据传输方式与工作站保持通信连接；5、该放射性污染源定位系统设置有铅屏蔽罩，可以有效保护激光测距仪、探测相机等贵重设备。


图I为基于遥操作装置的放射性污染源定位系统的结构框图。图2为定位设备结构示意图。图3为基于遥操作装置的放射性污染源定位方法流程图。图4为定位过程流程图。图5为重定位过程流程图。图6为观察点坐标测量流程图。图7为伽玛相机采集的污染区域有辐射剂量信息的伽玛图像的示意图。图8为探测相机采集的带有污染源轮廓y的图像的示意图。其中，I、云台；2、铅屏蔽罩；3、激光测距仪；4、探测相机；5、伽玛相机安装支架；6、伽玛相机。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细的描述，但它们不是对本发明的进一步限制。
如图I所示，该基于遥操作装置的放射性污染源定位系统，包括定位设备、定位通信设备、后台通信设备、工作站和定位设备控制手柄；定位通信设备通过通信线缆与后台通信设备连接；定位设备包括云台I、激光测距仪3、探测相机4和伽玛相机6 ;云台I和激光测距仪3均与定位通信设备的串口服务器相连接；探测相机4与定位通信设备的视频服务器连接；伽玛相机6与定位通信设备的伽玛图像采集器连接；视频服务器、串口服务器和伽玛图像采集器均与交换机连接；工作站与后台通信设备连接。工作站包括电脑主机和显示屏；电脑主机设置有定位模块和重定位模块；定位模块包括观察点坐标测量模块；重定位模块包括污染源轮廓生产模块。后台通信设备包括交换机。
如图2所示，云台I上设置有铅屏蔽罩2和伽玛相机安装支架5 ;激光测距仪3和探测相机4叠放在一起设置在铅屏蔽罩2内；伽玛相机6设置在伽玛相机安装支架5内部。通过定位设备控制手柄，工作人员可以自如地向定位设备发出命令，快速完成各种测量动作调整云台I、激光测距仪3、伽玛相机安装支架5和探测相机4的测量角度、转动速度、镜头调焦等。如图3所示，基于遥操作装置的放射性污染源定位方法，包括以下步骤A、在机器人身上安装定位设备、定位通信设备、电源和线缆；在机器人身上搭载一个台式支架，然后利用固定螺钉将云台I固定在台式支架上，再在铅屏蔽罩2内安装激光测距仪3和探测相机4，在伽玛相机安装支架5内安装伽玛相机6 ;同时把定位通信设备、激光测距仪电源、探测相机电源、伽玛相机电源和隔离变压器固定在一个铅层屏蔽的电气箱内，并将电气箱挂在机器人身上；激光测距仪电源、探测相机电源、伽玛相机电源均与隔离变压器连接；将机器人通信线缆和机器人电源线缆接入电气箱箱体内，机器人通信线缆与定位通信设备的交换机连接；机器人电源线缆接入隔离变压器；定位通信设备的交换机通过通信线缆与后台通信设备的交换机连接；隔离变压器分别为激光测距仪电源、探测相机电源、伽玛相机电源、机器人电源提供220V交流电。B、机器人进入核辐射现场；C、定位，通过定位设备，对污染区域和污染源进行定位；D、机器人退场；机器人完成探测任务后，退出核辐射现场；E、卸载伽玛相机，并安装去污工具；机器人退出核辐射现场后，将云台I上的伽玛相机6卸载下来，并在机器人身上安装上放射物去污工具；F、重定位，安装上去污工具的机器人重新进入核辐射现场通过定位设备，对污染区域和污染源重定位；G、机器人去污作业；机器人根据定位设备重定位的污染区域和污染源，开始对核辐射污染物进行去污处理；H、继续，工作人员根据定位的污染区域判断是否继续控制机器人去污作业，若继续去污作业返回步骤F ;若不继续去污作业则进入步骤I ;I、机器人退场，机器人完成去污作业后，退出核辐射现场。如图4所示，机器人进入核辐射现场后的定位过程包括以下步骤Cl、通过伽玛相机6观察辐射环境；机器人在核辐射现场通过伽玛相机6观察周围辐射环境，并判断是不是污染区域；若是污染区域进入步骤C2 ;若不是污染区域，机器人通过伽玛相机6继续观测；
C2、污染区域定位，利用伽玛相机6找到污染源后，以机器人身上的定位设备的几何中心为观察点，并以观察点为原点建立局部极坐标系，利用云台I、激光测距仪3和探测相机4测量空间信息和污染区域图像；在现场寻找一特征点，利用云台I和激光测距仪3分别测量这个特征点相对于观察点的转角及观察点到这个特征点的距离，利用探测相机4采集污染区域图像，并以这个特征点为原点建立全局直角坐标系；在全局直角坐标系的三条轴线上寻找三个特征点，并利用云台I和激光测距仪3测量三个特征点相对于观察点的转角及观察点到三个特征点的距离；视频服务器和串口服务器将污染区域图像及四个特征点的空间信息(四个特征点在局部极坐标系下的坐标)传送给定位通信设备的交换机转换数据后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将污染区域图像及四个特征点的空间信息(四个特征点在局部极坐标系下的坐标)转换后传送给工作站；C3、污染源定位，利用伽玛相机6采集图像I和图像2 ;图像I为有辐射剂量信息的伽玛图像，图像2为无辐射剂量信息的伽玛图像；伽玛图像采集器将上述伽玛相机6采集的图像数据信息传送给定位通信设备的交换机转换后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将上述伽玛相机6采集的图像数据信息转换后传送给工作站；工作站将步骤C2得到的污染区域图像及四个特征点的空间信息(四个特征点在局部极坐标系下的坐标)整合利用观察点坐标测量模块确定观察点在全局直角坐标系下的坐标即观察点坐标(X，Y，Z);由于在步骤C2中找到污染源后，机器人是静止不动的，因此观察点坐标(X，Y，Ζ)确定后，污染源的几何方位也即确定；C4、继续，工作人员根据辐射现场的情况判断是否继续控制机器人探测新的污染区域，若继续探测新的污染区域返回步骤Cl ;若不继续探测新的污染区域进入步骤D。如图5所示，卸载伽玛相机6后的机器人重新进入核辐射区域后的重定位过程包括以下步骤F1、污染区域重定位，通过探测相机4探测区域，并与步骤C2获得的污染区域图像对照；工作人员控制机器人利用云台I、激光测距仪3和探测相机4瞄准步骤C2确定的全局直角坐标系的原点；以机器人身上的定位设备的几何中心为观察点，并以观察点为原点建立局部极坐标系；F2、继续，若步骤Fl中探测相机4探测的区域图像与步骤C2获得的污染区域图像相同，则污染区域重定位任务完成，进入步骤F3 ;如若步骤Fl中探测相机4探测的区域图像与步骤C2获得的污染区域图像不相同，则没有找到污染区域，需要继续对污染区域重定位，返回步骤Fl F3、污染源重定位，步骤Fl中工作人员控制机器人找到步骤C2确定的全局直角坐标系的原点后，利用云台I和激光测距仪3测量全局直角坐标系的原点相对于观察点的转角及观察点到全局直角坐标系原点的距离；在全局直角坐标系的三条轴线上寻找三个特征点，并利用云台I和激光测距仪3测量三个特征点相对于观察点的转角及观察点到三个特征点的距离；串口服务器将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息传送给定位通信设备的交换机转换数据后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息转换后传送给工作站；工作站将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息整合利用观察点坐标测量模块确定观察点在全局直角坐标系下的坐标即观察点坐标(X' ,Y' ,1');工作站将步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)与本步骤得到的观察点坐标(X' ,V ,V )比较；若步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z) 与本步骤得到的观察点坐标(X'，v ,I') 一致，则机器人位置在步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)，此时利用探测相机4采集污染源图像；利用污染源轮廓生成模块将步骤C3中得到的污染源的有辐射剂量信息的伽玛图像、无辐射剂量信息的伽玛图像及本步骤中利用探测相机4采集的污染源图像匹配得到污染源轮廓1，并把污染源轮廓y绘制在探测相机4 的视频区域，作为工作人员控制机器人去污时判断污染源准确位置的依据；若步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)与本步骤得到的观察点坐标(X' ,V ,1')不一致，根据本步骤得到的观察点坐标(X' Λ' ,1')相对于步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)的变化调整机器人的位置，并返回步骤F1。如图6所示，在定位过程的污染源定位中，采用观察点坐标测量模块确定观察点坐标(X，Y，Z)包括以下步骤a、开始，确定局部极坐标系，以机器人身上的定位设备的几何中心为观察点，并以观察点为原点建立局部极坐标系；b、测量四个特征点的基本信息，在辐射现场中寻找一特征点，利用云台I和激光测距仪3测量这个特征点相对于观察点的转角及观察点到这个特征点的距离[即得到这个特征点在局部极坐标下的坐标(Si,G1,φι)]，并以这个特征点为原点建立全局直角坐标系；在全局直角坐标系的三条轴线上寻找三个特征点，并测量三个特征点相对于观察点的转角及观察点到三个特征点的距离[即得到三个特征点在局部极坐标下的坐标(S2,02，cp2)、(S3，e3，cp3)、(S4，04，cp4)];由此得到四个特征点在局部极坐标系下的坐标 (si,0i,9i)^ (S2,02,<P2)、(S3,03,(P3)、(S4,04,Cp4);串口服务器将四个特征点在局部极坐标系下的坐标传送给定位通信设备的交换机转换数据后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将四个特征点在局部极坐标系下的坐标转换后传送给工作站；C、计算特征点在全局直角坐标系下的坐标，工作站的观察点测量模块将四个特征点在局部极坐标系下的坐标[(sl,Ql,9l)、(S2,02,(p2)、(S3,Θ3,93)> (S4，04,Cp4)]转换成局部直角坐标系下的坐标[(X1, Υι Z1)、(x2, J2, Z2)、(x3, y3, Z3)、(x4, y4, Z4)],并通过四个特征点在局部直角坐标系下的坐标[(X1, y1 Z1)、(x2, y2, z2)、(x3, y3, Z3)、(x4, y4, Z4)]计算出步骤b中除作为全局直角坐标系原点的特征点以外的三个特征点相对于全局直角坐标系原点的坐标[(X2，Y2, Z2)、(X3, Y3, Z3)、(X4, Y4, Z4)];由于除作为全局直角坐标系原点的特征点以外的三个特征点均选在全局直角坐标系的三条轴线上，所以Y2 = Z2 = X3 = Z3 = X4 = Y4 =O ；d、构建求取旋转平移关系的矩阵计算式，利用步骤c得到的除作为全局直角坐标系原点的特征点以外的三个特征点在全局直角坐标系与局部直角坐标系下的坐标[(x2，y2， Z2)、(x3，y3，Z3)、(x4，y4，z4)、(X2, Y2, Z2)、(X3, Y3, Z3)、(X4, Y4, Z4)]构建求取全局直角坐标系与局部直角坐标系的旋转平移关系的矩阵计算式；e、获得旋转平移矩阵，通过步骤d求得全局直角坐标系与局部直角坐标系的旋转平移关系，即获得旋转平移矩阵；f、根据旋转平移矩阵推算观察点坐标，步骤e得到的旋转平移矩阵结合观察 点在局部直角坐标系下的坐标(0，0，0)即可得到观察点在全局直角坐标系下的坐标(X，Y，Z)， 即观察点坐标(X，Y，Z)；
g、结束。在重定位过程的污染源重定位中，采用观察点坐标测量模块确定观察点坐标(X' ,Y' ,1')包括以下步骤a、开始，确定局部极坐标系，以机器人身上的定位设备的几何中心为观察点，并以观察点为原点建立局部极坐标系；b、测量全局直角坐标系原点和三个特征点的基本信息，在辐射现场中寻找步骤C2确定的全局直角坐标系的原点后，利用云台I和激光测距仪3测量全局直角坐标系的原点相对于观察点的转角及观察点到全局直角坐标系原点的距离[即得到这个特征点在局部极坐标下的坐标(s/ ,θ/，φ/ )];在全局直角坐标系的三 条轴线上寻找三个特征点，并利用云台和激光测距仪测量三个特征点相对于观察点的转角及观察点到三个特征点的距离[即得到三个特征点在局部极坐标下的坐标(S2' ,θ2； ,92； )、(S3',93, )、(S4,，θ4'，φ4')];串口服务器将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息送给定位通信设备的交换机转换数据后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息转换后传送给工作站；C、计算特征点在全局直角坐标系下的坐标，工作站的观察点测量模块将全局直角坐标系原点和三个特征点在局部极坐标系下的坐标[(S^ ,0/，φ/ )、(S2',θ2；，φ2' )、(S3' ,θ3, ,φ/ )、(s4, ,04, ,947 )]转换成局部直角坐标系下的坐
标[(x/，y/ ,ζ/ )、(χ2' , y2' , ζ2' ) > (χ3; ,Z3' )、(χ/ , Ji'，ζ4')]，并通过全局直角坐标系原点和三个特征点在局部直角坐标系下的坐标[(χ/ ,I1' ,Z1' )、(x2,，Y2'，Z2' )、(χ/ , y3' ,Z3' )、(χ/ ,y/ , ζ/ )]计算出步骤b三个特征点相对于全局直角坐标系原点的坐标[(X2' ,V ,Z2' )、(X3' ,V，Z3' )、(x4, ,Yi'，z/ )];由于三个特征点均选在全局直角坐标系的三条轴线上，所以Y2' =Z2' =X3' =Z3' =X/ =
V= O ；d、构建求取旋转平移关系的矩阵计算式，利用步骤c得到的除作为全局直角坐标系原点的特征点以外的三个特征点在全局直角坐标系与局部直角坐标系下的坐标[UZ ，Y21，z2' ) ,U31， ζ'，ζ3' )、(χ/，y/，ζ/ )、(V，\’，V )、(V，\'，V )、(X/，Y/，z/ )]构建求取全局直角坐标系与局部直角坐标系的旋转平移关系的矩阵计算式；e、获得旋转平移矩阵，通过步骤d求得全局直角坐标系与局部直角坐标系的旋转平移关系，即获得旋转平移矩阵；f、根据旋转平移矩阵推算观察点坐标，步骤e得到的旋转平移矩阵结合观察点在局部直角坐标系下的坐标(0，0，O)即可得到观察点在全局直角坐标系下的坐标(X' ,V，
V)，即观察点坐标(X' ,V ,V )；g、结束。污染区域观察点坐标的确立可以在污染区域中寻找四个特征点，并利用云台I、激光测距仪3和探测相机4探测四个特征点的基本信息，再利用上述方法确定污染区域的观察点在全局直角坐标系下的坐标，即观察点坐标；获得观察点坐标的优选实施方式是将一个特征点选在一个立体角的顶点处，并将其作为全局直角坐标系的原点，另外三个特征点选在上述立体角的三条边上；由于立体角的单边两两相互垂直，因此，另外三个特征点位于全局直角坐标系的三条轴线上，这样可以简化步骤C里边涉及到的计算。步骤F3中利用污染源轮廓生成模块得到污染源轮廓y的方法包括以下步骤h、从有辐射剂量信息的伽玛图像中提取污染源轮廓X ；i、将步骤h得到的污染源轮廓X和无辐射剂量信息的伽玛图像整合并处理得到污染源轮廓X包围的图像；j、利用SIFT算法分别从污染源轮廓X包围的图像和步骤F3利用探测相机4采集的污染源图像中提取出各自的特征点，并计算所有特征点的SIFT特征向量；k、利用步骤j得到的特征点的SIFT特征向量的欧式距离建立以特征点为根节点的平衡二叉树；I、遍历所有步骤k得到的特征点平衡二叉树，根据最近邻算法计算污染源轮廓X 包围的图像和步骤F3利用探测相机4采集的污染源图像匹配的特征点； m、利用ORSA算法消除步骤I中得到匹配特征点中的错误匹配点；η、经步骤m消除错误匹配点后的污染源轮廓x包围的图像与步骤F3利用探测相机4采集的污染源图像对应的匹配特征点根据最小二乘原理计算污染源轮廓X包围的图像到步骤F3利用探测相机4采集的污染源图像的仿射变换矩阵M ;如果能计算出M进入步骤 P ;如果不能计算出M，将步骤h得到的污染源轮廓X向外扩张I 50像素并返回步骤i ;当扩张污染源轮廓X的次数大于设定的δ次，δ > 1，则污染源轮廓X包围的图像和步骤F3 利用探测相机4采集的污染源图像匹配失败，需要返回步骤A重新对污染区域和污染源定位；ρ、由仿射变换矩阵M计算出污染源轮廓X包围的图像经过变换后的对应步骤F3 利用探测相机4采集的污染源图像上的污染源轮廓I。图7为步骤C定位过程中，利用伽玛相机6采集的有辐射剂量信息的伽玛图像的示意图，剂量分布区域表明污染源存放在废料桶中；图8为步骤F重定位过程中，探测相机 4采集的带有污染源轮廓y的图像的示意图，黑色轮廓标识出污染源位置，是利用污染源轮廓生成模块形成、并将污染源轮廓I绘制在探测相机4上的视频区域；图7和图8来源于同一污染源，重定位过程中，操作人员根据定位时采集的伽玛图像找到污染源。可见，机器人在没有伽玛相机6的指导下，可以根据污染源轮廓y来判断污染源的位置，并对污染源进行去污处理。利用本发明提供的放射性污染源定位系统及方法，可以在有效保护伽玛相机6 的同时，我们仍可以对污染源进行准确定位，并加以处理；为探索如何定位放射性污染源提供了新的方法。
权利要求
1.一种基于遥操作装置的放射性污染源定位系统，包括定位设备、定位通信设备、后台通信设备、工作站、定位设备控制手柄；所述定位通信设备通过通信线缆与后台通信设备连接；其特征在于所述定位设备包括云台(I)、激光测距仪(3)、探测相机(4)和伽玛相机(6);所述云台(I)和激光测距仪(3)均与定位通信设备的串口服务器相连接；所述探测相机⑷与定位通信设备的视频服务器连接；所述伽玛相机(6)与定位通信设备的伽玛图像采集器连接；所述视频服务器、串口服务器和伽玛图像采集器均与交换机连接；所述工作站与后台通信设备连接。
2.根据权利要求I所述的基于遥操作装置的放射性污染源定位系统，其特征在于所述工作站包括电脑主机和显示屏；所述电脑主机设置有定位模块和重定位模块；所述定位模块包括观察点坐标测量模块；所述重定位模块包括污染源轮廓生产模块。
3.根据权利要求I所述的基于遥操作装置的放射性污染源定位系统，其特征在于所述云台(I)上设置有铅屏蔽罩(2)和伽玛相机安装支架(5);所述激光测距仪(3)和探测相机(4)叠放在一起设置在铅屏蔽罩(2)内；所述伽玛相机(6)设置在伽玛相机安装支架(5)内部。
4.根据权利要求I所述的基于遥操作装置的放射性污染源定位系统，其特征在于所述后台通信设备包括交换机。
5.一种基于遥操作装置的放射性污染源定位方法，其特征在于包括以下步骤A、在机器人身上安装定位设备、定位通信设备、电源和线缆；B、机器人进入核辐射现场；C、定位，通过定位设备，对污染区域和污染源进行定位；D、机器人退场；机器人完成探测任务后，退出核辐射现场；E、卸载伽玛相机，并安装去污工具；机器人退出核辐射现场后，将云台(I)上的伽玛相机(6)卸载下来，并在机器人身上安装上放射物去污工具；F、重定位，安装上去污工具的机器人重新进入核辐射现场通过定位设备，对污染区域和污染源重定位；G、机器人去污作业；机器人根据定位设备重定位的污染区域和污染源，开始对核辐射污染物进行去污处理；H、继续，工作人员根据定位的污染区域判断是否继续控制机器人去污作业，若继续去污作业返回步骤F ;若不继续去污作业则进入步骤I ;I、机器人退场，机器人完成去污作业后，退出核辐射现场。
6.根据权利要求5所述的基于遥操作装置的放射性污染源定位方法，其特征在于步骤A中，优选的实施方式是在机器人身上搭载一个台式支架，然后利用固定螺钉将云台(I) 固定在台式支架上，再在铅屏蔽罩(2)内安装激光测距仪(3)和探测相机(4)，在伽玛相机安装支架(5)内安装伽玛相机(6);同时把定位通信设备、激光测距仪电源、探测相机电源、 伽玛相机电源和隔离变压器固定在一个铅层屏蔽的电气箱内，并将电气箱挂在机器人身上；激光测距仪电源、探测相机电源、伽玛相机电源均与隔离变压器连接；将机器人通信线缆和机器人电源线缆接入电气箱箱体内，机器人通信线缆与定位通信设备的交换机连接； 机器人电源线缆接入隔离变压器；定位通信设备的交换机通过通信线缆与后台通信设备的交换机连接。
7.根据权利要求5所述的基于遥操作装置的放射性污染源定位方法，其特征在于步骤C包括以下分步骤 Cl、通过伽玛相机(6)观察辐射环境；机器人在核辐射现场通过伽玛相机(6)观察周围辐射环境，并判断是不是污染区域；若是污染区域进入步骤C2 ;若不是污染区域，机器人通过伽玛相机(6)继续观测； C2、污染区域定位，利用伽玛相机(6)找到污染源后，以机器人身上的定位设备的几何中心为观察点，并以观察点为原点建立局部极坐标系，利用云台(I)、激光测距仪(3)和探测相机(4)测量空间信息和污染区域图像；在现场寻找一特征点，利用云台(I)和激光测距仪(3)分别测量这个特征点相对于观察点的转角及观察点到这个特征点的距离，利用探测相机(4)采集污染区域图像，并以这个特征点为原点建立全局直角坐标系；在全局直角坐标系的三条轴线上寻找三个特征点，并利用云台(I)和激光测距仪(3)测量三个特征点相对于观察点的转角及观察点到三个特征点的距离；视频服务器和串口服务器将污染区域图像及四个特征点的空间信息传送给定位通信设备的交换机转换数据后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将污染区域图像及四个特征点的空间信息转换后传送给工作站； C3、污染源定位，利用伽玛相机(6)采集无辐射剂量信息的伽玛图像和有辐射剂量信息的伽玛图像，伽玛图像采集器将上述伽玛相机(6)采集的图像数据信息传送给定位通信设备的交换机转换后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将上述伽玛相机(6)采集的图像数据信息转换后传送给工作站；工作站将步骤C2得到的污染区域图像及四个特征点的空间信息整合利用观察点坐标测量模块确定观察点在全局直角坐标系下的坐标即观察点坐标(X，Y，Z);由于在步骤C2中找到污染源后，机器人是静止不动的，因此观察点坐标(X，Y，Ζ)确定后，污染源的几何方位也即确定； C4、继续，工作人员根据辐射现场的情况判断是否继续控制机器人探测新的污染区域，若继续探测新的污染区域返回步骤Cl ;若不继续探测新的污染区域进入步骤D。
8.根据权利要求5所述的基于遥操作装置的放射性污染源定位方法，其特征在于步骤F包括以下分步骤 F1、污染区域重定位，通过探测相机(4)探测区域，并与步骤C2获得的污染区域图像对照；工作人员控制机器人利用云台(I)、激光测距仪(3)和探测相机(4)瞄准步骤C2确定的全局直角坐标系的原点；以机器人身上的定位设备的几何中心为观察点，并以观察点为原点建立局部极坐标系； F2、继续，若步骤Fl中探测相机(4)探测的区域图像与步骤C2获得的污染区域图像相同，则污染区域重定位任务完成，进入步骤F3 ;如若步骤Fl中探测相机(4)探测的区域图像与步骤C2获得的污染区域图像不相同，则没有找到污染区域，需要继续对污染区域重定位，返回步骤Fl ； F3、污染源重定位，步骤Fl中工作人员控制机器人找到步骤C2 确定的全局直角坐标系的原点后，利用云台(I)和激光测距仪(3)测量全局直角坐标系的原点相对于 观察点的转角及观察点到全局直角坐标系原点的距离；在全局直角坐标系的三条轴线上寻找三个特征点，并利用云台(I)和激光测距仪(3)测量三个特征点相对于观察点的转角及观察点到三个特征点的距离；串口服务器将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息传送给定位通信设备的交换机转换数据后通过通信线缆传送给后台通信设备，后台通信设备的交换机将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息转换后传送给工作站；工作站将全局直角坐标系原点和三个特征点的空间信息整合利用观察点坐标测量模块确定观察点在全局直角坐标系下的坐标即观察点坐标(X' ,Y' ,1');工作站将步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)与本步骤得到的观察点坐标{V ,V ,1' )比较；若步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)与本步骤得到的观察点坐标(X' ,V ,1' ) 一致，则机器人位置在步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)，此时利用探测相机(4)采集污染源图像；利用污染源轮廓生成模块将步骤C3中得到的污染源的有辐射剂量信息的伽玛图像、无辐射剂量信息的伽玛图像及本步骤中利用探测相机(4)采集的污染源图像匹配得到污染源轮廓y，并把污染源轮廓y绘制在探测相机(4)的视频区域，作为工作人员控 制机器人去污时判断污染源准确位置的依据；若步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)与本步骤得到的观察点坐标{V ,V ,V )不一致，根据本步骤得到的观察点坐标(X' Λ' ,V )相对于步骤C3确定的观察点坐标(X，Y，Z)的变化调整机器人的位置，并返回步骤F1。
9.根据权利要求7所述的基于遥操作装置的放射性污染源定位方法，其特征在于采用步骤C3和步骤F3中的观察点坐标测量模块确定观察点坐标包括以下步骤 a、开始，确定局部极坐标系，以机器人身上的定位设备的几何中心为观察点，并以观察点为原点建立局部极坐标系； b、测量四个特征点的基本信息，在辐射现场中寻找一特征点，测量这个特征点相对于观察点的转角及观察点到这个特征点的距离，并以这个特征点为原点建立全局直角坐标系；在全局直角坐标系的三条轴线上寻找三个特征点，并测量三个特征点相对于观察点的转角及观察点到三个特征点的距离；由此得到四个特征点在局部极坐标系下的坐标； C、计算特征点在全局直角坐标系下的坐标，将四个特征点在局部极坐标系下的坐标转换成局部直角坐标系下的坐标，并通过四个特征点在局部直角坐标系下的坐标计算出步骤b中除作为全局直角坐标系原点的特征点以外的三个特征点相对于全局直角坐标系原点的坐标； d、构建求取旋转平移关系的矩阵计算式，利用步骤c得到的除作为全局直角坐标系原点的特征点以外的三个特征点在全局直角坐标系与局部直角坐标系下的坐标构建求取全局直角坐标系与局部直角坐标系的旋转平移关系的矩阵计算式； e、获得旋转平移矩阵，通过步骤d求得全局直角坐标系与局部直角坐标系的旋转平移关系，即获得旋转平移矩阵； f、根据旋转平移矩阵推算观察点坐标，步骤e得到的旋转平移矩阵结合观察点在局部直角坐标系下的坐标即可得到观察点在全局直角坐标系下的坐标，即观察点坐标； g、结束。
10.根据权利要求8所述的基于遥操作装置的放射性污染源定位方法，其特征在于步骤F3中利用污染源轮廓生成模块得到污染源轮廓y的方法包括以下步骤 h、从有辐射剂量信息的伽玛图像中提取污染源轮廓X； i、将步骤h得到的污染源轮廓X和无辐射剂量信息的伽玛图像整合并处理得到污染源轮廓X包围的图像； j、利用SIFT算法分别从污染源轮廓X包围的图像和步骤F3利用探测相机(4)采集的污染源图像中提取出各自的特征点，并计算所有特征点的SIFT特征向量；k、利用步骤j得到的特征点的SIFT特征向量的欧式距离建立以特征点为根节点的平衡二叉树；I、遍历所有步骤k得到的特征点平衡二叉树，根据最近邻算法计算污染源轮廓X包围的图像和步骤F3利用探测相机(4)采集的污染源图像匹配的特征点； m、利用ORSA算法消除步骤I中得到匹配特征点中的错误匹配点； n、经步骤m消除错误匹配点后的污染源轮廓X包围的图像与步骤F3利用探测相机(4) 采集的污染源图像对应的匹配特征点根据最小二乘原理计算污染源轮廓X包围的图像到步骤F3利用探测相机(4)采集的污染源图像的仿射变换矩阵M ;如果能计算出M进入步骤 P ;如果不能计算出M，将步骤h得到的污染源轮廓X向外扩张I 50像素并返回步骤i ;当扩张污染源轮廓X的次数大于设定的S次，S > 1，则污染源轮廓X包围的图像和步骤F3 利用探测相机(4)采集的污染源图像匹配失败，需要返回步骤A重新对污染区域和污染源定位; P、由仿射变换矩阵M计算出污染源轮廓X包围的图像经过变换后的对应步骤F3利用探测相机(4)采集的污染源图像上的污染源轮廓y。
全文摘要
本发明公开了一种基于遥操作装置的放射性污染源定位系统及方法，该放射性污染源定位系统包括定位设备、定位通信设备、后台通信设备、工作站、定位设备控制手柄；定位通信设备通过通信线缆与后台通信设备连接。该放射性污染源定位方法首先控制机器人进入核辐射现场通过激光测距仪、云台、探测相机和伽玛相机寻找污染区域，并对污染区域和污染源进行定位；在卸载伽玛相机后，控制机器人再次进入核辐射现场，通过激光测距仪、云台、探测相机和工作站对污染区域和污染源重定位，并对重定位的污染源进行去污作业。该放射性污染源定位系统及方法在有效保护伽玛相机的同时，通过定位和重定位精确确定污染区域和污染源，辅助机器人有效执行去污作业。
文档编号G01S5/16GK102621525SQ20121005091
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者冯杰, 刘满禄, 姜军, 张华 , 张江梅, 李磊民, 杨涛, 王姮, 肖宇峰 申请人:西南科技大学