一种水面放射性无人艇监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及核辐射监测领域，尤其涉及一种水面放射性无人艇检测装置及监测方法。
背景技术
目前国内比较常见的核电站类型是压水堆核电站。压水堆内部产生的高温一般通过海水循环进行冷却，然后携带电站余热的海水会被排放回海中。由于电站内部的冷却系统采用了双回路设计，因此可以保证电站内排出的冷却水不会带有任何的污染，不仅如此，核电站的工作人员还要布设监测网，将各种高科技的监测设备密布于核电站周边，时刻对大气、海水的参数进行监控。
核电站辐射监测时，对冷却水的采样和监测是一项复杂和艰苦的工作。核电站在运行过程中，都要由人工对周围水域的辐射剂量进行监测，同时还要定期安排人员乘船至固定点采集水样，送回实验室进行分析，确保周围水域没有因核电站造成污染。长期对水体辐射度进行采样和监测对人体力是极大的消耗，其效率也比较低，并且可能导致工作人员暴露在核辐射源外的风险，从而危害到工作人员的身体健康。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种水面放射性无人艇监测装置及监测方法，有效的降低了工作人员的工作强度，并且避免了在监测时工作人员暴露在核辐射源外的风险，保障了工作人员身体健康不受侵害。
本发明的技术方案如下：
一种水面放射性无人艇监测装置，包括安装在地面与无人艇通信的地面系统，所述无人艇的船板上安装有主控计算机、用于提供能源的动力系统、定位导航模块和无线通信模块，所述无人艇行径方向的前端两侧分别安装有一个避障模块，所述无人艇行径方向的后端中部位置处悬挂有用于矫正辐射探测器和环境校准传感器姿态的牵引传动矫正器，所述牵引传动矫正器上安装有用于监测水域核辐射的辐射探测器、环境校准传感器以及为牵引传动矫正器提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度信号的陀螺仪，所述环境校准传感器包括温度传感器、热电偶、盐度计、流速仪、动态景深探头，使得能够检测水面流速与温度、盐度、深度等。
优选的，所述定位导航模块采用GPS系统、北斗系统、GLONASS系统、伽利略卫星导航系统中的一种或几种。
优选的，所述避障模块采用激光雷达、水下前视声呐、红外传感器、超声波传感器、微波雷达障碍物的一种或几种。
优选的，所述无线通信模块采用微波通信、卫星通讯、Bluetooth、CDMA2000、GSM、Infrared(IR)、ISM、RFID、UMTS/3GPPw/HSDPA、UWB、WiMAXWi-Fi和ZigBee的一种或几种。
优选的，所述辐射探测器采用碘化钠、高纯锗、溴化镧、碲锌镉等中的至少一种。
一种水面放射性无人艇监测方法，包括以下步骤：
步骤1.将无人艇放置在待测水域连通的航道中，地面系统发送指令至无线通信模块设定待测水域的目标坐标；
步骤2.无线通信模块将目标坐标输入至定位导航模块，定位导航模块根据地理信息进行航线规划；
步骤3.主控计算机控制动力系统输出，使得无人艇自主航行前往目标坐标，同时导航模块和避障模块启动；
步骤4.无人艇到达目标坐标附近后，环境校准传感器和牵引传动矫正器进行工作，并通过无线通信模块发送一组本底数据至主控计算机，再通过牵引传动矫正器将环境校准传感器和辐射探测器匀速牵引至水体中，且达到主控计算机预设的牵引深度，辐射探测器进行探测并发送一组校验数据与下水前所检测的本地数据进行比对，同时通过陀螺仪反馈深度信息；
步骤5.开始航迹探测任务，采用主控计算机接收到的地面系统预设的巡航速度与巡航参考航线自动规划巡航边界与巡航路径；
步骤6.巡航过程中，主控计算机将无人艇上的数据整理回传数据，回传数据包括时间、坐标信息、核辐射能谱信息、温度、盐度、深度、巡航速度。
步骤7.地面系统收到回传数据后，对该坐标处的核辐射能谱信息进行解谱，若未识别出人工放射性核素则等待下一组回传数据；若识别出人工放射性核素，则对人工放射性核素种类分辨、统计计数率、剂量率、计算相应核素活度、计算水体核素浓度、加权计算放射性剂量；
步骤8.地面系统根据处理得到的数据实时绘制放射性水平等高线图，根据实时刷新的图像对航行边界进行预测，引导无人艇完成边界探测；
步骤9.当无人艇完成边界探测后，牵引传动矫正器将环境校准传感器与辐射探测器回收至船腹，完成后记录一组数据并回传至地面系统，回传后关闭环境校准传感器与辐射探测器；
步骤10.无人艇载具将投放坐标输入至定位导航模块，定位导航模块根据地理信息进行航线规划，航线规划完成后动力系统与避障模块进入工作状态，主控计算机控制动力系统、导航模块、避障模块使无人艇自主返航至投放坐标，人员对船体完成回收、区域放射性水平评估后，任务执行完毕。
上述的步骤2到步骤8中均包含有航迹规划，所述航迹规划包括第一步：坐标离散；第二步：无人艇最小步长计算；第三步：无人艇最大转弯角的判定；第四步：无人艇最大航行距离判定；第五步：辐射探测器有效监测范围确定；第六步：航行目标函数计算；若辐射探测异常则执行第一步；若辐射探测结果为正常则执行第四步。
有益效果：通过本发明提供的水面放射性无人艇监测装置，实现了水域放射性核素的自动监测，大大降低了工作人员的工作强度，避免了工作人员暴露在核辐射下的危险，保障了工作人员的身体健康不受到核辐射的侵害。
附图说明
图1为本发明的整体装配示意图；
图2为本发明的巡航过程与放射性水平等高线绘制场景图；
图3为本发明的航迹规划流程图；
图4为本发明的辐射探测器下放示意图；
附图标记说明：1.无人艇；2.主控计算机；3.无线通信模块；4.定位导航模块；5.避障模块；6.辐射探测器；7.动力系统；8.环境校准传感器；9.牵引传动矫正器；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1和2对本发明的最优实施例做详细的说明；
一种水面放射性无人艇监测装置，包括安装在地面与无人艇1通信的地面系统，所述无人艇1的船板上安装有主控计算机2、用于提供能源的动力系统7、定位导航模块4和无线通信模块3，所述无人艇1行径方向的前端两侧分别安装有一个避障模块5，所述无人艇1行径方向的后端中部位置处悬挂有用于矫正辐射探测器6和环境校准传感器8姿态的牵引传动矫正器9，并在所述牵引传动矫正器9上安装有用于监测水域核辐射的辐射探测器6、环境校准传感器8以及为牵引传动矫正器9提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度信号的陀螺仪，所述环境校准传感器8包括温度传感器、热电偶、盐度计、流速仪、动态景深探头，使得能够检测水面流速与温度、盐度、深度等。
所述避障模块5用于探测障碍物，如水体中的暗礁等可能造成无人艇发生碰撞的物体，所述避障模块5嵌入船腹内进行安装，且使得避障模块5的探测头伸出无人艇1与水体接触的壳体即可，如此避免了无人艇在航行时，水体对避障模块5造成冲击导致避障模块5损坏。
所述牵引传动矫正器9可以但不限于采用电动推杆或机械臂，下面通过采用电动推杆来对本发明进行详细的描述，将所述电动推杆安装于船腹，并使得电动推杆的杆头能够竖直向下伸出船底，并在电动推杆的杆头安装一个用于安装辐射探测器6和环境校准传感器8的安装座，使得可将辐射探测器6和环境校准传感器8能够安装在所述安装座上，从而可通过电动推杆调节辐射探测器6和环境校准器8的姿态，从而达到了如图4所示的技术目的，即在无人艇1高速巡航时可通过电动推杆将辐射探测器4和环境校准器8收入船腹，避免无人艇1在高速运动过程中水体对辐射探测器4和环境校准器8造成损坏，在低速巡航时，可将辐射探测器4和环境校准器8放置到水面，如此既能起到检测作用，又能保护辐射探测器4和环境校准器8不易被水体冲击导致损害，无人艇在巡航过程中停止时，将通过电动推杆将辐射探测器4和环境校准器8下放至水下，对该水域的核辐射进行检测。因此通过上述描述可以明确的是，本发明对于牵引传动矫正器9的选型只需满足能够实现上述无人艇在低速巡航、高速巡航和停止时的三个动作机构，即将辐射探测器4和环境校准器8收回船腹或放至水面或放至水下即可。本发明全文所述的高速是指大于30km/h的速度进行巡航，低速是指低于或等于30km/h的速度进行巡航。
优选的，所述定位导航模块4采用GPS系统、北斗系统、GLONASS系统、伽利略卫星导航系统中的一种或几种。
优选的，所述避障模块5采用激光雷达、水下前视声呐、红外传感器、超声波传感器、微波雷达障碍物的一种或几种。
优选的，所述无线通信模块3采用微波通信、卫星通讯、Bluetooth、CDMA2000、GSM、Infrared(IR)、ISM、RFID、UMTS/3GPPw/HSDPA、UWB、WiMAXWi-Fi和ZigBee的一种或几种。
优选的，所述辐射探测器6采用碘化钠、高纯锗、溴化镧、碲锌镉等中的至少一种。
一种水面放射性无人艇监测方法，包括以下步骤：
步骤1.将无人艇1放置在待测水域连通的航道中，地面系统发送指令至无线通信模块3设定待测水域的目标坐标；
步骤2.无线通信模块3将目标坐标输入至定位导航模块4，定位导航模块4根据地理信息进行航线规划；
步骤3.主控计算机2控制动力系统7输出，使得无人艇1自主航行前往目标坐标，同时导航模块和避障模块5启动；
步骤4.无人艇1到达目标坐标附近后，环境校准传感器8和牵引传动矫正器9进行工作，并通过无线通信模块3发送一组本底数据至主控计算机2，再牵引传动矫正器9将环境校准传感器8和辐射探测器6匀速牵引至水体中，且达到主控计算机2预设的牵引深度，辐射探测器6进行探测并发送一组校验数据与下水前所检测的本地数据进行比对，同时通过陀螺仪反馈深度信息；
步骤5.开始航迹探测任务，采用主控计算机2接收到的地面系统预设的巡航速度与巡航参考航线自动规划巡航边界与巡航路径；
步骤6.巡航过程中，主控计算机2将无人艇1上的数据整理回传数据，回传数据包括时间、坐标信息、核辐射能谱信息、温度、盐度、深度、巡航速度。
步骤7.地面系统收到回传数据后，对该坐标处的核辐射能谱信息进行解谱，若未识别出人工放射性核素则等待下一组回传数据；若识别出人工放射性核素，则对人工放射性核素种类分辨、统计计数率、剂量率、计算相应核素活度、计算水体核素浓度、加权计算放射性剂量；
步骤8.地面系统根据处理得到的数据实时绘制放射性水平等高线图，根据实时刷新的图像对航行边界进行预测，引导无人艇1完成边界探测；
步骤9.当无人艇1完成边界探测后，牵引传动矫正器9将环境校准传感器8与辐射探测器6回收至船腹，完成后记录一组数据并回传至地面系统，回传后关闭环境校准传感器8与辐射探测器6；
步骤10.无人艇1载具将投放坐标输入至定位导航模块4，定位导航模块4根据地理信息进行航线规划，航线规划完成后动力系统7与避障模块5进入工作状态，主控计算机2控制动力系统7、导航模块、避障模块5使无人艇1自主返航至投放坐标，人员对船体完成回收、区域放射性水平评估后，任务执行完毕。
参见附图3对本发明的航迹规划做详细的说明：
上述的步骤2到步骤8中均包含有航迹规划，所述航迹规划包括第一步：坐标离散；第二步：无人艇1最小步长计算；第三步：无人艇1最大转弯角的判定；第四步：无人艇1最大航行距离判定；第五步：辐射探测器6有效监测范围确定；第六步：航行目标函数计算；若辐射探测异常则执行第一步；若辐射探测结果为正常则执行第四步。
具体的，航线规划时必须考虑无人艇1的物理限制，否则不可能按照生成的航线进行航行，这些物理限制包括(1)最小步长，无人艇1在改变航线方向前必须保持直行的最短距离。最小步长限制一方面取决于无人艇1的机动性能，另一方面为减少导航误差，在远距离巡航时一般不希望无人艇1频繁转弯和迂回行进。(2)最大偏航角，无人艇1只能在最大偏航角的范围内转弯。(3)最大航行距离，由于无人艇1动力有限，必须限制其最大航迹在某个范围内。航行任务要求：(1)有效监测范围无人艇1机载设备监测范围有限，所以航行过程中待监测的目标点必须在某段航迹的有效监测范围内。(2)有效监测时间，无人艇1在水面辐射环境监测中，要求对某些目标点的监测时间总和达到一定的值或者尽量的长。(3)航迹重规划时间，在监测过程中一旦发现紧急情况，无人艇1需要在一定时间内对其航迹做出重规划，此规划时间要尽量短。
无人艇1航迹规划是在二维空间进行搜索，设为规划空间某一点坐标，其中表示经纬度，则规划空间可以表示为集合{(x,y)|0≤x≤MaxX,0≤y≤MaxY}，它代表了一个水面区域。在实际规划中，需要将该空间区域离散化，即将x,y按照不同的分辨率进行划分，从而得到离散化规划空间。离散化的分辨率越大，规划结果精度就越高，但需要的计算量越大；反之分辨率越低，规划结果精度越低，计算量也就越小。
一般来说，为了无人艇1更安全、准确的航行，在其进行转弯等机动前后，无人艇1应保持一段直行距离，称这个距离为最小步长，用L表示，则任意一段航迹的长度li，都不小于L:
li≤L(i＝1,2,3…n)
最大转弯角是指无人艇1航行的航迹只能在预先确定的最大转弯角范围内转弯。这个约束与具体的无人艇1的机动性能和航行任务有关。如图所示假设最大转弯角为θ，则航迹在原位置时，只能在沿原方向的左右θ角度内转弯。记录第i个航迹点坐标为(xi,yi)令θi＝(xi-xi-1,yi-yi-1)T，假设θ为最大转弯角，则该约束可用公式表示为：
最大航行距离是指由于无人艇1能携带燃料和航行时间有限，航迹长度必须要小于一个预先设定的最大距离。在航迹规划中，起始点和终点之间的直线距离为D，但由于无人艇1根据任务需要不会简单的沿着直线航行，因此可行的航迹必然比D更长。另一方面，由于无人艇1都存在航程限制或者是任务执行的时间限制，航迹的总长度必然受到限制。设最大航行距离为dmax则该约束可以用下式表示：
无人艇1机载设备监测范围有限，所以航行过程中待监测的目标点必须在有效监测范围内。如果无人艇1沿规划的航迹航行，没有监测到某一个或者是某几个目标点，则此次航迹规划任务失败。假设航迹的第i段线段与li第k个待监测目标点的距离为dik，则该约束可以用公式表示为定义的有效监测范围。
无人艇1在水环境监测中的任务主要包括两个：其一是对待监测目标点的正常巡逻，此时要求无人艇1对这些目标点的监测时间尽可能的长；其二是无人艇1监测到突发水环境问题时，要尽快的做出航迹调整，即航迹重规划，此时要求在尽量短的时间内得到一条次优或者可行航迹，从而无人艇1可以沿着新航迹航行对新的目标点进行监测。另外还需要考虑无人艇1在水环境监测中所受到的危险因素等。
因此，使用的目标函数需包含以上各因素。对于任意一条航迹，假设包括n+1个航迹点，设q1i为该航迹第1段的有效监测距离，q2i为该航迹第2段的航迹长度值，假设起始点为陆地点，而无人艇1的航行区域都是在水环境中。ts为航迹中各个航迹点与起始点的距离总和，则目标函数如下所示：
其中为h惩罚函数，对不满足节各约束条件的航迹进行惩罚，w1和w2为加权系数，w1+w2＝1。在具体的任务中，如果要求对目标点监测时间最长，则w1＝1，w2＝0如果要求无人艇1对目标点快速完成监测而驶到终点则w1＝0，w2＝1，最终参考航线目标函数f的最小值来确定航线。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
