陳達(dá)，陳曉薇，林幼賢，何星星，劉穎

基于LabVIEW和Arduino的無人機(jī)輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳達(dá)，陳曉薇，林幼賢，何星星，劉穎

（南京理工大學(xué) 環(huán)境與生物工程學(xué)院，南京 210094）

克服傳統(tǒng)環(huán)境核輻射監(jiān)測的局限性，設(shè)計一種搭載GM計數(shù)管的固定翼無人機(jī)進(jìn)行高空遠(yuǎn)距離環(huán)境核輻射劑量率監(jiān)測的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過編程簡單、拓展強(qiáng)等開發(fā)特點(diǎn)的Arduino單片機(jī)完成探測器的硬件設(shè)計，同時利用LabVIEW的強(qiáng)大VISA通訊模塊實現(xiàn)地面站的設(shè)計，最后借助無人機(jī)自駕儀Pixhack以實現(xiàn)對無人機(jī)穩(wěn)定可靠控制。系統(tǒng)地面站操作界面簡潔，測量數(shù)據(jù)圖表直觀。探測器對于放射源具有較好的計數(shù)響應(yīng)。Pixhack對飛行平臺有良好的穩(wěn)定和控制作用。系統(tǒng)借助GM計數(shù)管作為輻射探測器探頭，能夠完成高空遠(yuǎn)程輻射監(jiān)測任務(wù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計仍具有很大的拓展空間，可滿足日常環(huán)境核輻射本底劑量率普查，以及核應(yīng)急、大范圍輻射監(jiān)測、遠(yuǎn)程輻射監(jiān)測等任務(wù)。

Arduino；LabVIEW；Pixhack；核應(yīng)急；輻射監(jiān)測；GM計數(shù)管

隨著我國核工業(yè)及相關(guān)核技術(shù)的不斷發(fā)展，航空輻射監(jiān)測顯得日益重要，它具有快速性、及時性和降低受照劑量的特點(diǎn)，能夠快速地獲取輻射監(jiān)測的結(jié)果，為輻射防護(hù)決策提供可靠的依據(jù)[1]。自1988開始，成立了核工業(yè)航測遙感中心，1994年發(fā)展成為核工業(yè)航空測量中心，2004年成立了國家核應(yīng)急航空監(jiān)測中心[2]。目前，我國航空輻射監(jiān)測領(lǐng)域主要針對核電廠的環(huán)境輻射本底評價與核應(yīng)急事故的監(jiān)測，從設(shè)備上國內(nèi)廣泛采用大型機(jī)載伽馬能譜儀進(jìn)行實地輻射監(jiān)測，而國外則廣泛采用大型直升機(jī)懸停測量[3-5]。

近年來，由于電子技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外無人機(jī)航測技術(shù)均有較大的發(fā)展。比如根據(jù)單片機(jī)研發(fā)了多代開源無人機(jī)自駕儀[6-7]，而且在無人機(jī)自主控制技術(shù)上取得了較大突破[8]，有效地降低了小型無人機(jī)的制作成本，保證飛行穩(wěn)定性的同時，拓展了更多飛行功能。我國在無人機(jī)航測技術(shù)中也有廣泛的應(yīng)用，主要包括地質(zhì)環(huán)境的測量、遙感攝影等方面應(yīng)用[9-11]。此外，γ能譜儀在旋翼型無人機(jī)輻射探測應(yīng)用上也取得了較大的突破，研發(fā)了用于環(huán)境輻射測量及尋源功能的小型旋翼輻射探測系統(tǒng)[12-13]。在自動化控制與電子測量領(lǐng)域，Arduino單片機(jī)控制器也有了較大的發(fā)展[14]，并且Arduino控制測量系統(tǒng)也有了許多的應(yīng)用[15]。LabVIEW作為常用的虛擬測量儀器軟件，不僅有著簡易的圖形化編程語言，而且具有很強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展能力。在與Arduino的交互設(shè)計中，有許多相關(guān)的研究成果[16-17]。國內(nèi)目前搭載γ能譜儀的旋翼型無人機(jī)成本較高，續(xù)航時間短，測量范圍有限，且在核事故高計數(shù)率環(huán)境下測量具有較長的死時間。

由此，研制基于GM計數(shù)管的探測系統(tǒng)，以Arduino和LabVIEW相結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)控制的小型固定翼型無人機(jī)輻射監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)其成本低、續(xù)航長、速度快、測量響應(yīng)快等特性，并通過新型無人機(jī)自駕儀進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對系統(tǒng)進(jìn)行測試。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)主要由Arduino探測器及搭載Pixhack開源無人機(jī)自駕儀的固定翼飛行平臺組成，其中Arduino探測器由GM計數(shù)管模塊、Arduino Mega 2560微處理器、APC220數(shù)傳模塊、DHT22數(shù)字溫濕度傳感器、MS5611氣壓計、NEO-7N GPS模塊組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要工作原理為：GM計數(shù)管模塊通過中斷程序每15 s采集一次環(huán)境中γ射線的計數(shù)率（Count Per Minute，CPM），經(jīng)Arduino微處理器完成計數(shù)率至劑量率的浮點(diǎn)運(yùn)算后，通過APC220數(shù)據(jù)傳輸模塊將劑量率、GPS、氣壓、溫濕度等數(shù)據(jù)發(fā)至計算機(jī)，供上位機(jī)程序采集。Arduino探測器上位機(jī)采用LabVIEW軟件，借助VISA串口通信協(xié)議實現(xiàn)LabVIEW軟件與Arduino單片機(jī)交互通信。此外，Pixhack開源無人機(jī)自駕儀通過3DR數(shù)傳模塊將固定翼飛行數(shù)據(jù)發(fā)送回地面站，經(jīng)地面站Mission Planner軟件通過MAVlink[18]協(xié)議解析出飛行數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控飛行參數(shù)，或進(jìn)行飛行航線規(guī)劃等。

圖1 系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括Arduino探測器與無人機(jī)飛行平臺，其中飛行平臺包括固定翼型無人機(jī)及Pixhack開源無人機(jī)自駕儀。

2.1 探測器設(shè)計

系統(tǒng)通過GM計數(shù)管模塊獲取環(huán)境輻射信息，再經(jīng)由Arduino微處理器處理發(fā)送回地面站。GM計數(shù)管采用工作電壓為380~420 V的J305βγ型計數(shù)管，該計數(shù)管是一種充氣二極管，外殼為玻璃，管內(nèi)充有惰性氣體和少量的猝滅氣體，可用于探測α、β粒子及γ、x射線。將J305βγ型計數(shù)管安裝至可支持工作電壓為400~500 V的GM計數(shù)管模塊電路中，通過調(diào)節(jié)電位器以實現(xiàn)對環(huán)境輻射進(jìn)行探測。模塊主要電路原理如圖2所示，計數(shù)管結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 GM 計數(shù)管模塊主要工作電路

圖3 J305βγ型計數(shù)管結(jié)構(gòu)

Arduino微處理器采用Arduino Mega 2560作為控制器，不同于常見的Arduino UNO控制器，它主要包括54路數(shù)字I/O口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART串口，一個16 MHz晶振，6路外部中斷口及一個復(fù)位按鈕，具有簡易的IDE編程環(huán)境，廣泛應(yīng)用于如3D打印等多傳感器系統(tǒng)。256 kB Flash內(nèi)存中8 kB用作BOOT區(qū)存儲引導(dǎo)程序，實現(xiàn)串口下載程序的功能[19]。

探測器組裝完成后，需要進(jìn)行串口程序的燒錄。首先通過USB連接電腦，通過Arduino IDE燒錄完主程序后，打開電源模塊開關(guān)，通過APC220數(shù)傳模塊即可實現(xiàn)與上位機(jī)建立無線通訊。

2.2 飛行平臺設(shè)計

本系統(tǒng)采用的是固定翼型無人機(jī)作為飛行平臺，主要由動力模塊及飛行控制器組成。其中，飛行平臺采用Pixhack開源無人機(jī)自駕儀作為核心飛行控制器，可以有效地保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。

飛行平臺硬件結(jié)構(gòu)采用固定翼型無人機(jī)，主要由Pixhack飛控、動力模塊、圖傳模塊、數(shù)傳模塊及GPS模塊組成，將探測器安裝至飛行平臺，并對飛行平臺進(jìn)行調(diào)試。需要通過USB接口將Pixhack與地面站Mission Planer進(jìn)行連接，在初始設(shè)置界面進(jìn)行固定翼型無人機(jī)固件下載安裝，將現(xiàn)有最新的固定翼開源飛行控制代碼直接下載到Pixhack飛行控制板中。待固件下載完畢后，需要連接Pixhack控制板，然后完成羅盤、加速度計、遙控器校準(zhǔn)及飛行模式設(shè)置等。系統(tǒng)通過Pixhack實現(xiàn)對固定翼無人機(jī)自動控制飛行如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用集成開發(fā)環(huán)境Arduino IDE作為Arduino控制器的代碼開發(fā)平臺，選用LabView作為系統(tǒng)地面站的開發(fā)平臺。由于官方工具包LabVIEW Interface for Arduino（LIFA）所支持的傳感器有限，本系統(tǒng)采用LabVIEW自帶VISA函數(shù)完成LabVIEW與Arduino的交互通信。

3.1 Arduino下位機(jī)程序設(shè)計

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可拓展性，Arduino的主要程序設(shè)計過程主要包括第三方庫的導(dǎo)入及調(diào)用、初始setup函數(shù)的調(diào)用、Arduino主體程序在loop函數(shù)的實現(xiàn)。程序主要流程如圖5所示。為獲得環(huán)境中的劑量率信息，采樣程序具體實現(xiàn)過程如下：定義計數(shù)器最大計數(shù)及計數(shù)時間分別為60 s、15 s。即Arduino控制板在15 s內(nèi)檢測并記錄GM計數(shù)管模塊引發(fā)的中斷事件次數(shù)，通過時間周期計算出計數(shù)率CPM數(shù)值，再通過已經(jīng)校準(zhǔn)數(shù)值完成計數(shù)率至劑量率浮點(diǎn)運(yùn)算。

圖5 Arduino程序流程框

3.2 LabVIEW上位機(jī)軟件設(shè)計

LabVIEW上位機(jī)作為地面狀態(tài)機(jī)，負(fù)責(zé)向Ar-duino下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，再通過VISA串口函數(shù)完成對數(shù)據(jù)的接收、處理與繪圖，并將所接收的數(shù)據(jù)保存為以系統(tǒng)時間為名的文本文件。其中前面板包括：串口號選擇框、溫濕度顯示儀表、高度氣壓顯示儀表、劑量率時間圖、劑量率經(jīng)緯度3D散點(diǎn)圖、打開串口及關(guān)閉串口、串口工作指示燈、劑量率警報燈等。上位機(jī)主程序框圖主要結(jié)構(gòu)包括：條件結(jié)構(gòu)+順序結(jié)構(gòu)+while循環(huán)。

1）順序結(jié)構(gòu)第一幀。完成串口的配置，包括禁用終止符、VISA名稱輸入、波特率、奇偶位、錯誤輸入。創(chuàng)建打開串口指示燈局部變量，并寫入True值，打開指示燈。獲取系統(tǒng)當(dāng)前時間，并創(chuàng)建程序所在文件路徑。

2）順序結(jié)構(gòu)第二幀。等待5 s，確保Arduino與LabVIEW串口均打開，以保證上、下位機(jī)正常通訊，若不進(jìn)行等待程序?qū)鲥e。由第一幀創(chuàng)建的以系統(tǒng)時間為名字的文本路徑，創(chuàng)建打開文本文件，并完成文本文件第一行格式化字符串的寫入，包括經(jīng)度、緯度、劑量率、氣壓值、相對高度、溫濕度等，將文件寫入標(biāo)志移至文件結(jié)尾下一行。

3）順序結(jié)構(gòu)第三幀。While循環(huán)事件，若程序停止按鈕未打開，則進(jìn)行循環(huán)。主要數(shù)據(jù)采集循環(huán)為向下位機(jī)依次發(fā)送十六進(jìn)制校驗與命令幀頭。等待200 ms后，讀取串口緩存數(shù)據(jù)，并完成劑量率-時間繪圖、溫濕度數(shù)值顯示及經(jīng)緯度-劑量率3D散點(diǎn)繪圖。再等待15 s，完成劑量率采集的一次循環(huán)。對于劑量率圖繪制，需要以程序開始時間為橫坐標(biāo)，并且以實際接收到的劑量率數(shù)值為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖。將程序運(yùn)行時間與劑量率數(shù)值存入數(shù)據(jù)，并打包成簇，再寫入圖。劑量率-時間圖繪制循環(huán)如圖6所示。

對于經(jīng)緯度-劑量率3D散點(diǎn)圖的繪制，需要通過掃描字符串函數(shù)，將緩存區(qū)的緯度、經(jīng)度、劑量率存入數(shù)組。再通過添加移位寄存器保存每次循環(huán)數(shù)值，最后將經(jīng)度、緯度、劑量率創(chuàng)建向量數(shù)組，并且寫入3D散點(diǎn)圖函數(shù)的、、向量值，完成散點(diǎn)圖的繪制。緯度-劑量率3D散點(diǎn)圖繪制循環(huán)如圖7所示。

循環(huán)最后，需要將程序獲得的經(jīng)度、緯度、劑量率、氣壓高度值、溫濕度通過格式化字符串?dāng)?shù)組寫入文本文件，再將文件指針移動至文本末尾行。最后等待15 s，待Arduino下位機(jī)完成下一個采樣點(diǎn)劑量率數(shù)值的采集。數(shù)據(jù)循環(huán)記錄程序如圖8所示。

圖6 由Labview繪制劑量率-時間圖循環(huán)程序部分

圖7 由Labview繪制經(jīng)緯度-劑量率3D散點(diǎn)圖循環(huán)程序部分

圖8 由Labview繪制數(shù)據(jù)循環(huán)記錄程序部分

4）順序結(jié)構(gòu)第四幀。進(jìn)行串口的關(guān)閉，指示燈的熄滅，關(guān)閉文本文件等操作，釋放系統(tǒng)資源，保證串口與系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性。

4 系統(tǒng)測試

為了對探測器模塊及上位機(jī)軟件進(jìn)行測試，具體實驗過程為：打開電源模塊開關(guān)，將數(shù)傳模塊連接電腦，打開測試開關(guān)；每隔15 s，Arduino的RXD2、TXD2閃爍一次，通過APC220將系統(tǒng)采集的劑量率、溫濕度、經(jīng)緯度及氣壓值發(fā)送至上位機(jī)。完成串口配置后點(diǎn)擊打開串口，然后程序分別獲取溫濕度、氣壓高度等信息并顯示在儀表中；程序?qū)@取的劑量率進(jìn)行圖表的繪制，同時將獲取的GPS坐標(biāo)值和劑量率進(jìn)行三維散點(diǎn)的繪制。由于實驗在室內(nèi)測試，所以坐標(biāo)均繪制在軸上。將豁免源137Cs作為放射源置于探測器附近，通過改變探測器模塊與放射源位置，以實現(xiàn)對探測器性能及上位機(jī)準(zhǔn)確性進(jìn)行測試。上位機(jī)軟件測試結(jié)果如圖9所示，實測數(shù)據(jù)對比如圖10所示。

在400 s時，將137Cs置于距離GM計數(shù)管模塊5 cm處開始測量，系統(tǒng)每隔15 s記錄一次測量數(shù)據(jù)，之后每隔200 s移動固定距離。同時，選用X、γ輻射巡檢儀CM5001進(jìn)行對比測試實驗，每隔10 s記錄一次測量數(shù)據(jù)，之后每隔200 s移動固定距離。從原始測量數(shù)據(jù)對比曲線可以看出，系統(tǒng)探測器模塊所測劑量率與X、γ輻射巡檢儀所測值及變化趨勢基本一致。

圖9 實驗室上位機(jī)軟件測試結(jié)果

圖10 探測器模塊與X、γ巡檢儀原始數(shù)據(jù)曲線對比

此外，從測試結(jié)果可以看出，由于探測器模塊未對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理，因此GM計數(shù)管模塊對放射源的測試響應(yīng)較X、γ輻射巡檢儀具有較高的靈敏度，且溫濕度、高度、GPS坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)程序均正常獲得，未發(fā)生錯誤，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

經(jīng)過實驗測試，GM計數(shù)管模塊具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，所測量結(jié)果較為準(zhǔn)確，可借助于無人機(jī)飛行平臺，可以完成環(huán)境本底劑量率及大型核事故等測量任務(wù)。

5 結(jié)語

結(jié)合LabVIEW軟件和Arduino微處理器，借助于固定翼型無人機(jī)飛行平臺設(shè)計實現(xiàn)了一個高空核輻射監(jiān)測系統(tǒng)，克服了由于地形帶來的測量不便，可以應(yīng)用于核應(yīng)急事件、煙羽輻射監(jiān)測、環(huán)境核輻射本底普查等任務(wù)。實驗中采用Arduino Mega2560微處理器采集劑量率、經(jīng)緯度等信息，系統(tǒng)拓展性強(qiáng)，可以根據(jù)實際任務(wù)要求添加相應(yīng)的傳感器并按照相似程序框圖進(jìn)行編程。

此外，為了進(jìn)行大型核事故的輻射測量，系統(tǒng)可以通過添加硬件設(shè)備及結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)一次性遠(yuǎn)程輻射測量任務(wù)。系統(tǒng)可添加SD卡模塊，將所測量的環(huán)境劑量數(shù)據(jù)保存在SD卡內(nèi)部，或添加GPRS模塊，將所測數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。通過所設(shè)計彈射結(jié)構(gòu)，將飛行控制器及其他主要內(nèi)部傳感器進(jìn)行彈射回收處理，可以有效減少一次性飛行成本。

最后，本系統(tǒng)具有較低的成本，較好的便捷性，可以實現(xiàn)簡易的輻射測量任務(wù)。同時為一些遠(yuǎn)程復(fù)雜的大氣環(huán)境無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計提供了重要參考，具有良好的發(fā)展前景。

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Design and Implementation of UAV Radiation Monitoring System Based on LabVIEW and Arduino

CHEN Da, CHEN Xiao-wei, LIN You-xian, HE Xing-xing, LIU Ying

(School of Environmental and Biological Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China)

The work aims to design a fixed-wing UAV equipped with GM counter tube for the monitoring of high-altitude long-range environmental nuclear radiation dose rate, in order to overcome the limitations of traditional environmental nuclear radiation monitoring. The hardware of the detector was designed with Arduino MCU featured by simple programming and strong development. At the same time, the powerful VISA communication module of LabVIEW was used to design the ground station. Finally, the Pixhack was used to stably and reliably control the UAV. The proposed system ground station had a simple operation interface and intuitive measurement data chart. The detector had a good counting response to the radioactive source. Pixhack had good stability and control for the flight platform. With the aid of the GM counter tube as a radiation detector probe, the system can complete the high-altitude remote radiation monitoring task, and still has a large expansion space in terms of structural design, which can satisfy the daily environmental nuclear radiation background dose rate survey and nuclear emergency, large-scale radiation monitoring, remote radiation monitoring and other tasks.

Arduino; LabVIEW; Pixhack; nuclear emergency; radiation monitoring; GM counter tube

2018-08-31；

2018-10-13

CHEN Da (1996—), Male, from Sichuan, Research focus: radiation protection and nuclear safety.

10.7643/ issn.1672-9242.2020.03.016

V416

A

1672-9242(2020)03-0093-07

2018-08-31；

2018-10-13

國家自然基金項目（11205089）；南京理工大學(xué)本科生科研訓(xùn)練“百千萬”計劃立項資助（省級項目）（201710288013Y）

Fund：Supported by the National Natural Fund Project (11205089) and Nanjing University of Science and Technology Undergraduate Research Training "100 Million" Plan Project Funding (Provincial Project) (201710288013Y).

陳達(dá)（1996—），男，四川人，主要研究方向為輻射防護(hù)與核安全。

劉穎（1978—），女，吉林人，博士，講師，主要研究方向為輻射防護(hù)與核安全。

Corresponding author：LIU Ying (1978—), Female, from Jilin, Doctor, Lecturer, Research focus: radiation protection and nuclear safety.