張洋 ZHANG Yang

（南部戰(zhàn)區(qū)疾病預(yù)防控制中心，廣州 510630）

0 引言

隨著核技術(shù)的發(fā)展，核輻射偵測已經(jīng)成為現(xiàn)代社會的重要議題。為了確保核設(shè)施的安全運(yùn)行和避免對環(huán)境及人類健康的潛在威脅，開展精確的核輻射偵測工作至關(guān)重要。隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人在核輻射偵測領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到重視，因其可以有效避免人員直接暴露在高劑量輻射環(huán)境下。但在實(shí)際應(yīng)用中，如何確保機(jī)器人的持續(xù)工作時間、高效偵測和精確性仍是一個技術(shù)難題。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與電源需求

1.1 核輻射偵測機(jī)器人的組成部分與工作原理

核輻射偵測機(jī)器人是一個高度集成和自動化的系統(tǒng)，其核心組成部分包括：①輻射探測模塊，通常采用蓋革-彌勒（G-M）計(jì)數(shù)管，能夠準(zhǔn)確檢測并轉(zhuǎn)換輻射劑量；②機(jī)械手臂和移動機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)在污染場地進(jìn)行導(dǎo)航、采樣和其他互動任務(wù)；③數(shù)據(jù)通訊模塊，用于實(shí)時發(fā)送探測數(shù)據(jù)和接收控制指令；④電源管理模塊，確保各部件得到穩(wěn)定的電源供應(yīng)，同時優(yōu)化續(xù)航能力。

其工作原理如下：當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入指定區(qū)域時，G-M 計(jì)數(shù)管開始監(jiān)測輻射強(qiáng)度，一旦檢測到超過預(yù)設(shè)閾值的輻射，機(jī)器人將采取相應(yīng)的響應(yīng)措施，如標(biāo)記位置、采集樣本或發(fā)送警報，同時，所有檢測數(shù)據(jù)都會實(shí)時通過數(shù)據(jù)通訊模塊傳輸至遠(yuǎn)程控制中心，使操作者能夠迅速了解現(xiàn)場狀況并做出決策。

1.2 Arduino 與各功能模塊的數(shù)據(jù)通信需求

Arduino，作為核輻射偵測機(jī)器人的中央控制單元，在數(shù)據(jù)通信方面扮演著至關(guān)重要的角色。首先，它必須與輻射探測模塊進(jìn)行無間斷的數(shù)據(jù)交互，實(shí)時獲取輻射強(qiáng)度信息。其次，為了確保機(jī)械手臂的精確操作和機(jī)器人的靈活移動，Arduino 需要接收來自各種傳感器（如位置、角度和速度傳感器）的反饋信息，同時發(fā)送控制命令以調(diào)整機(jī)械手臂的動作和機(jī)器人的行進(jìn)方向。此外，考慮到機(jī)器人可能在遠(yuǎn)離操作者的區(qū)域工作，Arduino 需要與無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將探測結(jié)果、系統(tǒng)狀態(tài)和警報信息實(shí)時傳輸至遠(yuǎn)程控制中心，同時接收并執(zhí)行從控制中心發(fā)送的指令[1]。為滿足這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信需求，Arduino 不僅要具備多個高速、高可靠性的串口和通信接口，還需在軟件層面進(jìn)行精細(xì)的調(diào)度和優(yōu)化，以確保數(shù)據(jù)的實(shí)時性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1.3 系統(tǒng)整體供電需求

在核輻射偵測機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)整體供電需求是一個至關(guān)重要的考慮因子，因?yàn)樗粌H影響到機(jī)器人的持續(xù)工作時間，還關(guān)系到各功能模塊的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理速度。

主控制單元Arduino，作為整個系統(tǒng)的心臟，需要穩(wěn)定且持續(xù)地電源來保證其無間斷運(yùn)行?？紤]到其與各功能模塊的頻繁數(shù)據(jù)交互，供電穩(wěn)定性對于保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸和處理至關(guān)重要。

輻射探測模塊、機(jī)械手臂、傳感器等核心功能部件都有各自的電源需求。例如，輻射探測模塊在高劑量環(huán)境下可能需要更高的采樣率，從而增加能耗；機(jī)械手臂在執(zhí)行復(fù)雜操作時，尤其是在采集樣本或應(yīng)對突發(fā)情況時，可能會有瞬時的大電流需求。通訊模塊，尤其是無線傳輸部分，根據(jù)通訊距離和數(shù)據(jù)傳輸速率，也會產(chǎn)生不同的電源需求。在長距離或高速傳輸中，其電源消耗會相對增加。考慮到機(jī)器人可能需要在惡劣、無人的環(huán)境中長時間工作，電池的容量和續(xù)航時間成為關(guān)鍵。不僅要選擇能夠滿足高能耗需求的電池，還需考慮電池的重量、體積和安全性，確保它不會因?yàn)檫^熱或其他原因影響機(jī)器人的正常運(yùn)行。

2 輻射劑量檢測模塊與其校準(zhǔn)

2.1 G-M 計(jì)數(shù)管的工作原理

G-M 計(jì)數(shù)管，即蓋革-穆勒計(jì)數(shù)管，是一種用于檢測和測量電離輻射的裝置。其工作原理如圖1 所示：當(dāng)放射性粒子通過管中充滿的氣體時，這些粒子會電離周圍的氣體分子。G-M 計(jì)數(shù)管內(nèi)部包含一個陽極和一個陰極，中間填充有低壓惰性氣體。當(dāng)電離輻射進(jìn)入該管并擊中氣體分子時，它會導(dǎo)致電子從氣體分子中剝離，形成陽離子和自由電子。由于管內(nèi)有高電壓，這些自由電子將被迅速吸引到陽極，而陽離子則移向陰極。這種移動產(chǎn)生了一個可測量的電脈沖，該脈沖與經(jīng)過計(jì)數(shù)管的輻射量成正比。然后，這些電脈沖可以由外部電子設(shè)備計(jì)數(shù)并轉(zhuǎn)化為輻射水平的可讀輸出。為了防止連續(xù)的放射性粒子引起連續(xù)的放電（即氣體持續(xù)電離），G-M 計(jì)數(shù)管使用特定的惰性氣體和添加物，這使得每一個電離事件后，管內(nèi)迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備檢測下一個粒子。

圖1 G-M 計(jì)數(shù)管的工作原理

2.2 校準(zhǔn)方法及其重要性

在輻射領(lǐng)域，校準(zhǔn)通常涉及使用已知活度和能量的放射源對儀器進(jìn)行標(biāo)定。G-M 計(jì)數(shù)管的校準(zhǔn)方法主要包括以下幾個步驟：第一步，選擇標(biāo)準(zhǔn)源。使用具有已知放射活度和特定能量的放射性標(biāo)準(zhǔn)源。第二步，測量背景輻射。在沒有標(biāo)準(zhǔn)源的情況下，先測量并記錄背景輻射。第三步，暴露于標(biāo)準(zhǔn)源。將G-M 計(jì)數(shù)管暴露于標(biāo)準(zhǔn)源下，并測量其計(jì)數(shù)。第四步，數(shù)據(jù)分析。從測量值中減去背景輻射，得到實(shí)際的計(jì)數(shù)。然后，與標(biāo)準(zhǔn)源的已知活度進(jìn)行比較，以確定計(jì)數(shù)管的效率。第五步，確定校正因子。根據(jù)測量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)源的活度確定一個校正因子。此后，該因子將用于修正實(shí)際測量值，使其更加準(zhǔn)確。

校準(zhǔn)在輻射測量領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，尤其當(dāng)涉及G-M 計(jì)數(shù)管這種設(shè)備時。首先，它是確保測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟，只有經(jīng)過校準(zhǔn)的設(shè)備，其測量值才能真實(shí)地反映實(shí)際的輻射水平。此外，為了滿足多數(shù)國家和組織的法規(guī)要求，定期進(jìn)行輻射檢測設(shè)備的校準(zhǔn)不僅是必要的，而且也是確保其準(zhǔn)確性和可靠性的手段[2]。對于在輻射環(huán)境下工作的專業(yè)人員來說，知道其使用的設(shè)備已經(jīng)經(jīng)過正確的校準(zhǔn)，可以增強(qiáng)他們的工作信心。更為重要的是，校準(zhǔn)過程本身可能揭示設(shè)備的潛在缺陷或故障，這為提前識別并防止可能導(dǎo)致錯誤測量的問題提供了保障。

2.3 校正因子的確定方法

校正因子的確定是為了修正G-M 計(jì)數(shù)管的實(shí)際測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差，確保其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常，這一過程首先涉及使用已知放射性活度的標(biāo)準(zhǔn)放射源對G-M 計(jì)數(shù)管進(jìn)行照射，然后記錄計(jì)數(shù)管的響應(yīng)。隨后，將這一響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)放射源的已知活度進(jìn)行比較，從而得出實(shí)際測量值與應(yīng)有測量值之間的差異。這個差異就是所需的校正因子。最后，實(shí)際操作時，使用該校正因子對G-M 計(jì)數(shù)管的測量結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，從而得到更接近真實(shí)放射性活度的測量值。

3 機(jī)械手臂的同步控制與采樣

3.1 機(jī)械手臂與操作人員手臂的同步控制原理

在核輻射偵測機(jī)器人系統(tǒng)中，實(shí)時的手臂同步控制是核心功能之一，其旨在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作人員能夠直觀、精確地控制機(jī)械手臂，模擬人類手臂的復(fù)雜動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效、安全的現(xiàn)場采樣。該同步控制的核心原理基于操作人員手上佩戴的手臂模型上安裝的加速度傳感器。這些傳感器可以實(shí)時感知手臂及手指在三個方向（x、y 和z 軸）上的移動加速度。

一旦手臂模型的位置或姿態(tài)發(fā)生變化，加速度傳感器便會捕獲這些變化，并通過算法將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的角度值，這個角度值可以反映出操作人員手臂的實(shí)際傾斜角度。這些角度數(shù)據(jù)接著通過Arduino 主板的無線傳輸模塊傳遞給機(jī)械手臂上的控制單元。在接收到這些數(shù)據(jù)后，機(jī)械手臂會通過預(yù)先編程的控制策略，驅(qū)動各個關(guān)節(jié)的舵機(jī)，使其旋轉(zhuǎn)到與操作人員手臂對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)兩者的同步運(yùn)動。

3.2 現(xiàn)場采樣的具體步驟與技術(shù)難點(diǎn)

現(xiàn)場采樣，作為核輻射偵測機(jī)器人的核心功能，涉及操作人員通過遠(yuǎn)程的手臂模型來同步驅(qū)動機(jī)器人的機(jī)械手臂，確保準(zhǔn)確無誤地獲取疑似有毒或有害的樣本。初步的操作包括機(jī)器人接近目標(biāo)區(qū)域并利用實(shí)時視頻監(jiān)控為操作人員提供清晰、低延遲的場景畫面。隨后，手臂進(jìn)行精確定位并執(zhí)行物質(zhì)取樣，最終將樣本安全地存放于專用容器中。這一過程面臨眾多技術(shù)難點(diǎn)，如需保證機(jī)械手臂與操作手臂的高度同步性、視頻的高清晰度、針對不同樣本的采樣工具多樣性，以及樣本的安全處理[3]。此外，外部環(huán)境如風(fēng)速、濕度等可能帶來的干擾也要被充分考慮和應(yīng)對，確保整個采樣過程的安全性與準(zhǔn)確性。

3.3 采樣過程中的數(shù)據(jù)通信與電源管理

在機(jī)器人的采樣過程中，數(shù)據(jù)通信和電源管理是兩大關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，確保了機(jī)器人的高效、持續(xù)且準(zhǔn)確運(yùn)作。

從數(shù)據(jù)通信角度看，如圖2 所示采樣過程中需要實(shí)時將機(jī)器人收集的信息，如視頻流、傳感器數(shù)據(jù)（溫度、濕度、輻射劑量率等）無縫地傳送至操作員的遙控終端。使用高帶寬、低延遲的無線通信協(xié)議能確保數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸，并支持高清視頻流的無滯后播放。此外，為了增強(qiáng)通信的穩(wěn)定性，在機(jī)器人與控制端之間建立多通道傳輸和自動切換系統(tǒng)，確保在一個通道受到干擾或信號弱時，能自動切換至另一個更加穩(wěn)定的通道。

圖2 數(shù)據(jù)通信過程

電源管理方面，由于機(jī)器人在采樣過程中要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理和傳輸，因此會消耗大量電能。要確保機(jī)器人在整個任務(wù)期間持續(xù)工作，必須進(jìn)行精細(xì)的電源管理。這包括：對每個功能模塊進(jìn)行獨(dú)立的電源調(diào)配，確保在非工作狀態(tài)下降低功耗；實(shí)施動態(tài)電源調(diào)度策略，根據(jù)任務(wù)需求合理分配電源；以及引入節(jié)能算法，如在機(jī)器人靜止或等待指令時進(jìn)入低功耗模式[4]。此外，考慮到采樣過程中可能的長時間任務(wù)，可以搭載更大容量或高效的電池，并考慮太陽能等替代能源作為備份或輔助電源。

4 系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用與有效性檢驗(yàn)

4.1 使用放射源進(jìn)行的實(shí)際測試場景

在某廢棄的核能研究設(shè)施中，核輻射偵測機(jī)器人進(jìn)行了一次關(guān)鍵的實(shí)際應(yīng)用測試。這個設(shè)施曾經(jīng)是進(jìn)行核燃料研究的前沿實(shí)驗(yàn)室，但由于某些原因被廢棄了，其中殘留了多種放射性物質(zhì)。由于這個設(shè)施的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的手持輻射檢測方法難以全面覆蓋整個場地。因此，這次測試的主要目的是評估機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的性能和準(zhǔn)確性。在測試中，機(jī)器人被部署進(jìn)入設(shè)施的中心區(qū)域，這里預(yù)計(jì)含有最高的輻射強(qiáng)度。它開始自動地按照預(yù)設(shè)的路徑，穿越實(shí)驗(yàn)室、長走廊和多個密閉的研究室。利用其高靈敏度的G-M 計(jì)數(shù)管，機(jī)器人持續(xù)地掃描其周圍環(huán)境，并實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)。

4.2 各功能模塊的實(shí)際表現(xiàn)與問題發(fā)現(xiàn)

在核輻射偵測機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用過程中，對于其各功能模塊的表現(xiàn)和潛在問題進(jìn)行了深入地觀察和分析。首先，輻射劑量檢測模塊使用G-M 計(jì)數(shù)管在高強(qiáng)度放射區(qū)域展示了出色的準(zhǔn)確性，但在低輻射場景中，電磁干擾導(dǎo)致了短暫的誤報。而視頻監(jiān)測模塊為操作員提供了清晰、實(shí)時的圖像，優(yōu)化了機(jī)器人的導(dǎo)航功能，但在特定的光照條件下，圖像質(zhì)量存在局限性。此外，無線傳輸模塊在大多數(shù)場景中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，但在深層地下或特定的遮擋區(qū)域，出現(xiàn)了短暫的通信中斷，這可能要求對傳輸技術(shù)或硬件進(jìn)行優(yōu)化以適應(yīng)更多的環(huán)境條件。與此同時，溫度和濕度測量模塊為核輻射偵測機(jī)器人提供了可靠的環(huán)境感知，但在高濕度環(huán)境下，濕度傳感器的反應(yīng)速度有所降低，這暗示傳感器可能需要進(jìn)一步的校準(zhǔn)或技術(shù)改進(jìn)。機(jī)械手臂模塊的表現(xiàn)則相對突出，與操作員的同步性達(dá)到了較高水平，但在執(zhí)行某些復(fù)雜動作時，出現(xiàn)了輕微的滯后，這指出了對于同步算法或硬件響應(yīng)速度的潛在優(yōu)化空間。紅外測距模塊在絕大多數(shù)情況下為機(jī)器人提供了準(zhǔn)確的距離信息，但面對透明或高反光表面時偶爾失準(zhǔn)，這也許意味著需要對傳感器進(jìn)行更高級的校準(zhǔn)或引入其他類型的測距技術(shù)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

從表1 所示的數(shù)據(jù)中，可以觀察到隨著時間的推移，劑量率逐漸增加，這可能表明機(jī)器人逐漸靠近放射源。此外，可以注意到，盡管放射強(qiáng)度增加，但溫度變化較小，僅增加了0.7℃，而濕度的增加也不明顯。這表明機(jī)器人的環(huán)境傳感器可以有效地分離和測量各種參數(shù)，而不會受到其他變量的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

此外，機(jī)械手臂的位置數(shù)據(jù)顯示，隨著時間的推移，機(jī)械手臂逐漸從初始位置轉(zhuǎn)動到60°。這可能是由操作人員引導(dǎo)機(jī)械手臂接近放射源進(jìn)行采樣所導(dǎo)致的。其連續(xù)的變化也表示數(shù)據(jù)傳輸和同步控制機(jī)制工作得很好，確保了機(jī)械手臂的平穩(wěn)運(yùn)動。

5 結(jié)語

隨著核技術(shù)的應(yīng)用與核輻射事故的潛在風(fēng)險，核輻射偵測技術(shù)在安全監(jiān)測、環(huán)境評估和事故應(yīng)對中的重要性日益凸顯?；贏rduino 的核輻射偵測機(jī)器人不僅技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，更在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)了其巨大的潛力和價值。對于未來的研究，除了進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人的性能，還應(yīng)考慮如何使其在更廣泛、更復(fù)雜的環(huán)境中發(fā)揮作用，以滿足日益嚴(yán)峻的核安全挑戰(zhàn)。