技术领域
[0001] 本
发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种用于核电站核仪表源试验的智能机器人。
背景技术
[0002] 伴随着核电工业的迅速发展，核
电机器人技术得到了世界各国诸多研究人员的广泛重视。美国、英国及日本等国家早在上世纪40年代就已开始进行核电机器人的研究。而在经历了人类历史上最严重的核事故之一的切尔诺贝利核事故以及福岛核事故后，世界各国对核电站巡检及事故处理机器人有了重新的认识，并且投入了大量的精
力开发相关产品。其中比较具有代表性的核电机器人有：美国ANL开发的M1遥控机械手；美国和俄罗斯共同研制的“pioneer”、德国EMSM系列机器人、法国FOSAR系列机器人、美国的SAMSIN系列机器人以及iRobot公司的Packbot和Warrior机器人等。日本千叶工业大学、国际救助系统研究机构和日本东北大学联合开发的Quince机器人的操作距离可达2km，其最高耐受
剂量率达
100Gy/h，续航时间可达5h，在福岛核电站的救援工作中Quince机器人发挥了积极作用。
[0003] 虽然国
内核电机器人的起步较晚，但随着近十几年来国家对核电机器人研发投入的加大，国内的核电机器人研发也取得了一定的成果。比如，北京航空航天大学研制了RT3-EOD、RAPTOR排爆机器人。东南大学与南京军区防化研究所合作研制了机械手臂伸展长度为1m、可爬行不大于45度
楼梯的机器人等。
[0004] 核电站调试期间核仪表需要使用
中子源对探测器进行定性测试与验证，该试验具有高
辐射且试验空间有限。因此需要发明一套核仪表源试验智能机器人系统，可以替代工作人员进入辐照射环境中完成给定的测试任务，减轻核电从业人员的受伤害的概率和劳动强度。
发明内容
[0005] 为了克服
现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于核电站核仪表源试验的机器人。
[0006] 本发明的目的采用以下技术方案实现：
[0007] 核电站核仪表源试验智能机器人，包括：
机器人本体和设置于所述机器人本体内的控
制模块，所述机器人本体上设置有用于采集外部环境信息的
传感器元件以及实现机器人本体移动的机器人行走机构；所述
控制模块用于控制机器人本体的运动及动作，其包括中央控制单元以及与所述中央控制单元相连的运动控制模块、信息处理模块、自主导航模块、电源管理模块以及
外围设备接口模块；所述中央控制单元接收各模块发送的数据信息，并对数据进行分析处理后形成控制指令对各模块进行控制；所述运动控制模块用于控制机器人本体的移动；所述信息处理模块用于对传感器元件采集的数据进行处理和传输以及实现
人机交互；所述自主导航模块用于机器人移动路径的规划及移动导航；所述电源管理模块用于对机器人进行通断电控制和电源智能保护；所述外围设备接口模块用于对外部扩展设备的控制。
[0008] 相比现有技术，本发明的有益效果在于：该智能机器人结构紧凑，外形规则，可以适应核仪表源试验特殊的工作环境使用要求，可以按试验人员预先设定好试验逻辑和路线，依据试验需求依次携源前往目的
位置进行相应的试验测试，通过
机械臂将源装载模块进行空间置位，满足多
角度多位置源置放的需求，以及实时监视源的下放状态。本发明的
机器人控制系统(控制模块)采用模块化和松散耦合的设计原则，以及分层式、模块化、总线式的设计方案，由中央控制单元设计为顶层主
控制器层，运动控制模块、信息处理模块、自主导航模块、电源管理模块及外围设备接口模块构成
中间层功能模块层，中间层功能模块的各子模块为底层具体功能执行模块层，可以减少各层级模块之间的相互影响，提高系统可靠性，以保证机器人实时高效、稳定可靠地将中子源配送至目的位置。
[0009] 进一步的，所述机器人本体包括
外壳和设置于所述外壳内的
机架；所述机架包括底座和设置于所述底座上的
框架，所述机器人行走机构设置于所述底座上，所述外壳与所述框架相连；所述外壳上设置有用于连接机械臂的机械臂接口。
[0010] 进一步的，所述外壳为
铝合金外壳，所述外壳上设置有防辐射隔离层。
[0011] 进一步的，所述传感器元件包括摄像头、
超声波传感器及
激光雷达。
[0012] 进一步的，所述信息处理模块包括人机交互模块和传感器
感知及
采样模块，所述人机交互模块用于接收外部指令数据和采集数据的远程传输，所述传感器感知及采样模块用于对传感器元件采集到的数据进行后端处理，以获得机器人的
位姿数据。
[0013] 进一步的，所述人机交互模块中包含有无线通信单元，所述无线通信单元包括ZigBee通信模块和射频通信模块。
[0014] 采用两种通信技术来对数据进行分类传输，以保证数据传输的
稳定性。
[0015] 进一步的，所述运动控制模块包括微处理单元、
车轮编码器、车轮
驱动电机控制器及
刹车装置；所述刹车装置与一设置于所述外壳上的急停按钮相连，用于实现紧急情况下的停止操作；所述微处理单元与中央控制单元相连，将所述机器人本体的行走动作信息及状态反馈给所述中央控制单元，以及接收中央控制单元发出的运动控制指令，并将运动控制指令发送给所述车轮编码器，所述车轮编码器对运动控制指令进行编制转换，并发送给所述车轮驱动电机控制器，所述车轮驱动电机控制器根据指令控制电机的动作；所述机器人行走机构为行走轮。
[0016] 进一步的，所述车轮驱动电机控制器为模糊自适应PID控制器。
[0017] 机器人运动过程结合自适应模糊
算法，对电机进行速度和方向等控制，通过将自适应模糊PID算法用于机器人运动控制环节中,对PID参数进行实时调整，建立智能机器人在场地上的控制系统模型,分析机器人在轨迹
跟踪中由驱动方向、角度等时变因素导致的实际轨迹发生偏移的问题,并实时向主控单元反馈运动信息和状态，以提高机器人运动的稳定性与精确性。
[0018] 进一步的，所述自主导航模块包括
定位模块、避障模块、越野模块和沟槽阶梯识别模块；所述定位模块用于根据机器人的位姿数据建图，所述越野模块用于识别机器人所处位置的空间环境，所述沟槽阶梯识别模块用于识别机器人所处位置的地面环境，所述避障模块接收来自定位模块的建图结果以及所述越野模块和所述沟槽阶梯识别模块的障碍物识别结果，并执行相应的动作策略发送给所述中央控制单元，所述中央控制单元根据动作策略制定运动控制指令。
[0019] 进一步的，所述电源管理模块包括嵌入式处理器、电源监测
电路、电源
开关网络及功率转换组件；所述功率转换组件与机器人电源相连，将高压直流电转换为各电路模块所需的低压直流电；所述电源开关网络用于将转换后的低压直流电按通道分配给各个模块；所述电源监测电路用于根据嵌入式处理器采集到的数据对机器人电源状态进行监测，并将监测数据发送给所述嵌入式处理器；所述嵌入式处理器用于采集电源的状态
信号数据，并根据信号数据进行通断电控制及电源保护。
[0020] 进一步的，所述电源管理模块还包括低电量检测模块和自主回充模块；所述低电量检测模块用于根据所述嵌入式处理器采集到的电量数据，判断
电池电量是否在预定
阈值范围内，并根据判断结果将低电量提醒信息发送给所述中央控制单元；所述自动回充模块用于根据充电电源位置制定返回充电的路线。
[0021] 通过低电量监测模块和自主回充模块，为机器人提供高可靠、高安全的供电方案，保证机器人稳定、高效地工作。
[0022] 进一步的，所述外围设备接口模块包括机械臂接口模块、调度系统接口模块、放置盒接口模块；所述机械臂接口模块与机械臂相连，所述调度系统接口模块用于接收中央控制单元的动作指令，并发送给机械臂接口模块，由机械臂接口模块控制机械臂动作，将装载了中子源的放置盒搬运到
指定的位置；所述放置盒接口模块用于检测放置盒装载位置的环境状态以及放置盒内物品的状态，所述放置盒接口模块和设置于放置盒装载位置处的传感器相连，将传感器采集到的数据发送给中央控制单元。
[0023] 进一步的，各模块之间通过总线来进行数据传递及信息交互。
附图说明
[0024] 图1为本发明
实施例机器人本体外部结构的示意图；
[0025] 图2为本发明实施例机器人本体内部结构的示意图；
[0027] 图4为本发明实施例控制系统层次框图；
[0028] 图5为本发明实施例运动控制模块的框图；
[0029] 图6为本发明实施例自主导航模块建图过程的示意图；
[0030] 图7为本发明实施例电源管理模块的框图。
具体实施方式
[0031] 下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述。
[0032] 本实施例的智能机器人用于核电站核仪表源的试验，智能机器人包括机器人本体和设置于机器人本体内的控制模块。如图1和图2所示，机器人本体包括外壳1和机架2。外壳1设置于机架2外，将机架2罩于其内。外壳1可采用
铝合金材料制成，进一步的，为了隔离辐射，外壳1上
喷涂有防辐射材料隔离层。机架2包括底座2-1和设置于底座2-1上的框架2-2，底座2-1上设置有行走轮2-3，行走轮2-3作为机器人行走机构，用于实现机器人本体的移动功能。框架2-2用于安装外壳1，以及安装
超声波传感器等其它元件。
[0033] 如图1所示，在外壳1的顶部设置有机械臂接口1-1、摄像头接口1-2以及急停按钮3。机械臂接口1-1用于连接机械臂(未图示)，摄像头接口1-2用于安装摄像头(未图示)。在外壳1的前
侧壁设置有
超声波传感器窗口1-3和激光雷达窗口1-4，在外壳1的左、右侧壁上及后侧壁上也设置有超声波传感器窗口1-3，超声波传感器和激光雷达位于外壳1内、位置分别与超声波传感器窗口1-3和激光雷达窗口1-4对应。超声波传感器、激光雷达及双目摄像头构成了本实施例的传感器元件。超声波传感器4及激光雷达均安装在框架2-2上。控制模块安装在底座2-1上。中子源固定在一屏蔽小盒中，屏蔽小盒可放置于外壳1内设置的装载位置上，从而保护中子源在任何情况下都处于一个稳定和安全的状态。
[0034] 控制模块用于控制机器人本体的运动，包括机器人本体的移动以及机械臂的动作，其承载着智能机器人的控制系统。如图3所示，控制模块包括中央控制单元6、运动控制模块7、信息处理模块8、自主导航模块9、电源管理模块10以及外围设备接口模块11，其中，中央控制单元6分别与运动控制模块7、信息处理模块8、自主导航模块9、电源管理模块10及外围设备接口模块11相连，中央控制单元6接收各模块反馈的数据信息，并对所反馈的数据进行分析处理后，形成控制指令对各模块进行控制。本发明的各模块之间通过总线来进行数据传递及信息交互。
[0035] 信息处理模块用于对传感器采集的数据进行处理和传输，以及实现人机交互。如图4所示，信息处理模块包括人机交互模块和传感器感知及采样模块，人机交互模块用于接收外部指令数据和采集数据的远程传输，例如人机交互模块可以接收诸如语音输入单元、
键盘输入单元、
触摸屏输入单元、网络通信单元等输入设备的指令，并将指令发送给中央控制单元，人机交互模块还可以将机器人的传感器采集到的信息反馈给远程终端。人机交互模块中包含有无线通信单元，本实施例的无线通信单元包括ZigBee通信模块和射频通信模块，可以采用两种通信技术进行数据的传输。其中，ZigBee通信模块用于轻量数据的传输，ZigBee通信模块搭配高性能高增益天线具有穿透力强、通讯距离远的能力，可以满足数据信号穿透1m厚度的屏蔽层和2km内稳定通讯的要求。ZigBee通信模块和岛外的ZigBee路由进行通信，数据信号由ZigBee路由转换为TCP/IP协议上传到远程终端
服务器，并在远程终端的交互界面呈现。射频通信模块用于实时图像等
大数据的传输，由于ZigBee通信技术的传输速率较慢，实时图像传输达不到理想效果，本实施例中采用射频通信技术来进行实时图像数据的传输，
射频信号可以穿透1m厚度的屏蔽层，岛外的射频基站可以接收到射频通信模块的信号，并进行放大转发，从而保障信号在2km内可以稳定传输。无线通信单元还可以实现远程遥控，服务器可以通过远程遥控的方式控制机器人的行走及动作，图像信息及传感器信息回传到远程终端服务器中。
[0036] 传感器感知及采样模块用于对摄像头、超声波传感器、激光雷达等传感器元件采集到的数据进行后端优化处理，以得到机器人的位姿数据。中央控制单元从传感器感知及采样模块获取机器人的位姿数据后，将位姿数据发送给自主导航模块9(定位模块)进行建图。传感器感知及采样模块可采用自调整区间的RTS滤波算法对数据进行滤波融合与误差补偿，以实现机器人周围环境全方位识别与感知，形成多层次立体数据，从而实现厘米级别的实时定位
精度，保证机器人在配送中子源前往目的位置过程中，能实时精准定位，感知周围障碍，及时避让，并选择最优路径，使核仪表源试验安全，高效，规范地顺利进行。
[0037] 运动控制模块用于控制机器人本体的移动，运动控制模块接收到中央控制单元的运动控制指令后，将运动控制指令进行编译解释，然后执行相应的动作。本实施例中机器人的移动由设置于底座上的行走轮实现，如图5所示，运动控制模块包括微处理单元、车轮编码器、车轮驱动电机控制器及刹车装置(未图示)，刹车装置与急停按钮相连，刹车装置用于实现紧急情况下的停止操作，当按下急停按钮后，刹车装置即根据急停按钮的信号控制行走轮的驱动电机停止工作。微处理单元与中央控制单元相连，接收中央控制单元发出的运动控制指令，并将运动控制指令发送给车轮编码器，由车轮编码器对运动控制指令进行编制转换，然后发送给车轮驱动电机控制器，车轮驱动电机控制器根据指令控制电机的动作，微处理单元同时将机器人本体的行走动作信息及状态反馈给中央控制单元，形成闭环控制。本实施例的车轮驱动电机为无刷直流电机，电机的速度及方向的控制采用自适应模糊算法实现，车轮驱动电机控制器采用模糊自适应PID控制器，控制器以误差e以及误差变化率ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，进行实时调整，通过不断地调整来确定PID参数，本实施例得到的效果较好的PID参数为P＝16，I＝3，D＝1.6。运动控制模块可以分析机器人在轨迹跟踪中由驱动方向、角度等时变因素导致的实际轨迹发生偏移的问题，并实时向中央控制单元反馈运动信息和状态，以提高机器人运动的稳定性与精确性。
[0038] 自主导航模块9用于机器人移动路径的规划及移动导航，可以实现机器人自主定位、导航、避障以及环境感知与识别等功能。自主导航模块包括定位模块、避障模块、越野模块和沟槽阶梯识别模块。如图6所示，摄像头、超声波传感器和激光雷达采集到数据后，所采集到的视觉数据、超声
波数据和激光数据先由信息处理模块(传感器感知及采样模块)进行多传感器信息融合及最小化传感器总误差整合等优化处理，得到机器人的位姿数据，位姿数据发送给定位模块，由定位模块根据位姿数据建图。定位模块建图时，采用激光与视觉融合的轻量级栅格定位地图，地图为几何栅格地图，融合激光雷达扫描的二维地图及双目摄像头识别并提取的道路信息。二维栅格地图可以减少地图存储足够的激光及视觉定位及避障信息的代价，同时地图中还包含了部分激光雷达射线扫描的轮廓地图以及双目摄像机提取的结构化道路中的车道线，非结构化道路中的道路边缘、
停车场等信息。采集到的视觉数据采用Encoder与Decoder框架，对卷积层进行Depthwise与pointwise处理以减小网络参数，增加Feature Pyramid以保证分割内容为：道路，道路线，路沿，车辆，行人，行人道，草地，灯柱，房屋，交通灯，交通标志，从而实现机器人周围环境全方位识别与感知，形成多层次立体数据，并采用自调整区间的RTS滤波算法对数据进行滤波融合与误差补偿，实现厘米级别的实时定位精度。越野模块和沟槽阶梯识别模块根据传感器元件采集的数据，进行不同类型障碍物的识别、检测，其中越野模块用于对机器人所处位置的空间环境进行识别，沟槽阶梯识别模块用于对机器人所处位置的地面环境进行识别，定位模块将建图结果、越野模块和沟槽阶梯识别模块将障碍物的识别结果发送给避障模块。避障模块用于根据地图和障碍物识别结果制定相应的动作策略，例如直接避让或是越障，动作策略发送给中央控制单元，由中央控制单元根据动作策略制定运动控制指令。自主导航模块可以保证机器人在配送中子源前往目的位置过程中，能实时精准定位，感知周围障碍，及时避让，并选择最优路径，使核仪表源试验安全，高效，规范地顺利进行。
[0039] 电源管理模块用于实现机器人的通断电控制和电源智能保护，如图7所示，电源管理模块包括嵌入式处理器、电源监测电路、电源开关网络及功率转换组件。嵌入式处理器具有信号采集、电源状态监测、故障诊断、电源掉电保护、系统重构等功能，可以实现电池状态实时检测，通断电控制及电源保护功能。本实施例的嵌入式处理器采用TI公司的DSP处理器，DSP处理器外围配置FPGA和AD采样电路，可以完成对
电压、
电流等模拟量信号和离散量信号采集、数据检测、模拟量/离散量信号的输出控制、与中央控制单元的通讯、电源配置表的管理以及维护应用接口的操作。功率转换组件与机器人电源(电池)相连，用于将高压直流电转换为各电路模块所需的低压直流电。转换后的低压直流电由电源开关网络按通道分配给各个模块。电源监测电路用于根据嵌入式处理器采集到的数据，对机器人电源(电池)状态进行监测，当监测到外部供电电源出现异常时，嵌入式处理器进行相应的降级下电操作。进一步的，电源管理模块还包括低电量检测模块和自主回充模块，可以实现机器人低电量监测和自主充电。低电量检测模块基于嵌入式处理器采集到的电量数据，判断电池电量是否在预定阈值范围内，例如电池电量是否达到额定电量的20％，当低于预定阈值时，低电量检测模块与中央控制单元进行通信，将低电量提醒信息发送给中央控制单元，由中央控制单元根据目前的任务状态进行评估，如果判断目前的电量可以完成任务，则优先完成任务；如果判断目前的电量不足以完成任务，则优先进行充电操作，此时中央控制单元发送指令给自动回充模块，由自动回充模块根据充电电源位置制定返回充电的路线，中央控制单元根据返回路线制定运动控制指令，并发送给运动控制模块，控制机器人返回充电。
[0040] 外围设备接口模块用于对外部扩展设备的控制，外围设备接口模块包括机械臂接口模块、调度系统接口模块、放置盒接口模块。机械臂接口模块与机械臂相连，调度系统接口模块用于接收中央控制单元的动作指令，并发送给机械臂接口模块，由机械臂接口模块控制机械臂动作，将装载了中子源的放置盒搬运到指定的位置。放置盒接口模块用于检测放置盒装载位置的环境状态以及放置盒内物品的状态，放置盒接口模块和设置于放置盒装载位置处的传感器相连，将传感器采集到的数据发送给中央控制单元。
[0041] 本发明的机器人结构紧凑，外形规则，可以适应核仪表源试验特殊的工作环境使用要求。机器人的控制系统(控制模块)采用分层式、模块化、总线式的设计，以形成结构层次清晰的模块化结构树，实现了对系统的分层的模块化设计。本发明将中央控制单元设计为顶层
主控制器层，运动控制模块、信息处理模块、自主导航模块、电源管理模块及外围设备接口模块构成中间层功能模块层，中间层功能模块的各子模块为底层具体功能执行模块层，三层级的控制体系架构，可以减少各层级模块之间的相互影响；模块化的设计可以消除各个模块之间的耦合，达到高内聚低耦合，每个模块都是相对独立，模块的增、删不会影响整个系统的运行，提高了系统可靠性。
[0042] 针对核辐射环境对机器人本身性能的影响，除了在外壳设计上采用铝合金外壳+辐射材料隔离层的机械阻挡结构外，还可以对控制模块中的
硬件电路采用多通道冗余设计，由此即使某一通道受到辐射粒子击坏后，其他通道能够代替损坏的通道，使硬件系统保持正常工作，有效增大了机器人协助进行核仪表源试验的可靠性，安全性以及稳定性；也很大程度延长了机器人在不同程度核辐射环境下的使用寿命。
[0043] 对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及
变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明
权利要求的保护范围之内。
