張紅 趙阿朋 羅剛 陳少南 王國(guó)河

[摘? ? 要]核電站高放過(guò)濾器通常每個(gè)燃料循環(huán)更換一次，濾芯劑量高，轉(zhuǎn)運(yùn)路徑復(fù)雜，路程遠(yuǎn)，人工轉(zhuǎn)運(yùn)面臨高輻照風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)高放過(guò)濾器濾芯的轉(zhuǎn)運(yùn)研究開(kāi)發(fā)一種基于激光雷達(dá)SALM技術(shù)的濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人。

[關(guān)鍵詞]高放過(guò)濾器;濾芯轉(zhuǎn)運(yùn);激光雷達(dá);SLAM

[中圖分類號(hào)]TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–00–03

Research on the Transfer Robot for High-Level Filter Element of Nuclear

Power Plant based on Laser radar SLAM

Zhang Hong，Zhao A-peng，Luo Gang，Chen Shao-nan，Wang Guo-he

[Abstract]Nuclear power plant high-level filter is usually replaced once per fuel cycle. The filter element dose is high， the transport path is complicated， and the distance is long. Manual transport faces high radiation risks. The transport of high-level filter elements is researched and developed based on lidar SALM technology. Filter transfer robot.

[Keywords]high-amplification filter; filter element transfer; lidar; SLAM

核電站系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備本身或其運(yùn)行環(huán)境具有放射性，為保證設(shè)備安全可靠，核電站需周期性進(jìn)行停堆檢修，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換老化、故障設(shè)備，并對(duì)廢棄核裝置進(jìn)行去污和拆卸等，以保證核電站的安全運(yùn)行。在維修活動(dòng)中，往往涉及高放射性場(chǎng)所，操作者難以接近，而且伴隨著高溫、高噪音、狹窄空間、低光照等復(fù)雜惡劣環(huán)境，給維修活動(dòng)帶來(lái)極大困難，僅靠人工進(jìn)行，不僅維修效率低下，降低核電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而且會(huì)增大人員的受輻照劑量。而我國(guó)核電站現(xiàn)階段絕大部分維修及更換作業(yè)采用人工作業(yè)的方式，如化學(xué)與容積控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱RCV）高放過(guò)濾器更換均采用人工方式進(jìn)行。

RCV高放過(guò)濾器位于環(huán)境劑量率較高的設(shè)備廠房，其過(guò)濾器濾芯通常每個(gè)燃料循環(huán)更換一次，部分核電站經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)后，更換頻率更高，達(dá)到每個(gè)月更換一次。更換時(shí)由于工作人員面臨高輻射風(fēng)險(xiǎn)，需穿戴鉛衣等防護(hù)用品，并做好人員分工，事先安排好傳遞人員接力傳遞位置，緊密協(xié)作，并對(duì)所經(jīng)過(guò)的通道實(shí)施嚴(yán)格隔離與封閉。更換時(shí)打開(kāi)法蘭蓋，手動(dòng)抽出后迅速將高放射性的濾芯通過(guò)接力傳遞的方式通過(guò)狹長(zhǎng)狹窄通道、不規(guī)則樓梯等復(fù)雜環(huán)境后放入專用的廢濾芯水泥存放桶。針對(duì)RCV高放過(guò)濾器濾芯更換的復(fù)雜性、高風(fēng)險(xiǎn)性、高輻照性，研發(fā)RCV高放過(guò)濾器更換機(jī)器人系統(tǒng)，代替人工方式進(jìn)行作業(yè)，可以進(jìn)入RCV高放過(guò)濾器房間，實(shí)現(xiàn)RCV過(guò)濾器濾芯的自動(dòng)抽出、搬運(yùn)和最終放置，減小人工操作的高風(fēng)險(xiǎn)及人員輻照劑量，實(shí)現(xiàn)核電站部分運(yùn)維作業(yè)的機(jī)器人化以及智能化，推動(dòng)智能核電運(yùn)維工具的發(fā)展。

1 系統(tǒng)組成

RCV過(guò)濾器濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人屬于RCV過(guò)濾器更換機(jī)器人系統(tǒng)一部分，用于RCV高放過(guò)濾器濾芯從過(guò)濾器廠房轉(zhuǎn)運(yùn)至廢濾芯桶存放廠房，濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)距離遠(yuǎn)，路徑復(fù)雜，而更換的濾芯放射性劑量高，轉(zhuǎn)運(yùn)人員面臨高輻照風(fēng)險(xiǎn)，使用機(jī)器人替代人工轉(zhuǎn)運(yùn)非常必要。

RCV過(guò)濾器濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)路徑狹窄，需經(jīng)過(guò)多道防火門(mén)，部分防火門(mén)最大開(kāi)啟寬度受限且有50mm左右門(mén)檻，需通過(guò)兩座梯形斜坡，機(jī)器人要求轉(zhuǎn)彎半徑小，有一定越障能力，通過(guò)梯形斜坡時(shí)穩(wěn)定性較好。如圖1所示。

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，RCV高放過(guò)濾器濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)使用履帶底盤(pán)加升降濾芯桶的結(jié)構(gòu)形式，機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

機(jī)器人主要包括以下機(jī)構(gòu)：履帶式底盤(pán)、濾芯桶升降系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)等。

1.1 履帶式行走機(jī)構(gòu)

履帶式行走機(jī)構(gòu)采用差速驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑小，適合電站內(nèi)狹窄的工作環(huán)境;越障性能較好，能輕松越過(guò)路徑上的門(mén)檻。

1.2 濾芯桶升降系統(tǒng)

濾芯桶用于臨時(shí)存放高放廢濾芯，為了包容和盡可能的屏蔽濾芯的放射性，選用輻射屏蔽能力強(qiáng)的鉛桶作為濾芯桶;濾芯桶與底盤(pán)采用鉸鏈連接，緊急情況下可快速拆卸;濾芯桶設(shè)計(jì)有升降機(jī)構(gòu)，可在30°～90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人行走過(guò)程中濾芯桶放倒，降低機(jī)器人整體重心高度，增加通過(guò)梯形斜坡的穩(wěn)定性;濾芯桶頂部設(shè)計(jì)蓋子，可以遠(yuǎn)程控制打開(kāi)關(guān)閉;底部設(shè)計(jì)有排污口，方便濾芯桶的排污及清洗去污。

1.3 視頻采集系統(tǒng)

視頻采集系統(tǒng)通過(guò)成像功能，將機(jī)器人周?chē)h(huán)境情況反饋至現(xiàn)場(chǎng)外的操作人員，同時(shí)操作人員可通過(guò)遠(yuǎn)程攝像頭監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。

1.4 SLAM導(dǎo)航定位系統(tǒng)

使用SLAM技術(shù)獲得較精確的建圖與定位結(jié)果，然后以SLAM輸出作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸入，進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合，最終輸出建圖與導(dǎo)航全信息：包括位置，速度，姿態(tài)等。

2 控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

RCV高放過(guò)濾器濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)由控制箱、視頻采集系統(tǒng)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成。整體架構(gòu)如圖3所示。

控制箱用于遠(yuǎn)程操作RCV高放過(guò)濾器濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人并顯示機(jī)器人狀態(tài)，控制箱是一個(gè)方便攜帶的手提箱。

視頻采集系統(tǒng)由車(chē)體頂部的云臺(tái)相機(jī)和車(chē)體四周的微型相機(jī)組成，由交換機(jī)連接，通過(guò)無(wú)線通信在工控機(jī)顯示屏上顯示，操作人員可通過(guò)在顯示屏上觀察機(jī)器人的作業(yè)狀態(tài)及周邊的作業(yè)環(huán)境，并通過(guò)上位機(jī)來(lái)控制相機(jī)的云臺(tái)、變焦及燈光等。

SLAM導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要由三維激光掃描雷達(dá)、車(chē)體前后激光防撞雷達(dá)、左右超聲測(cè)距雷達(dá)、攝像頭、組合慣導(dǎo)、算法板、主控板、里程計(jì)和電機(jī)等組成。

2.2 激光雷達(dá)SLAM導(dǎo)航定位系統(tǒng)

目前主流的機(jī)器人定位技術(shù)是SLAM技術(shù)。SLAM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑主要包括視覺(jué)SLAM（VSLAM）、Wifi-SLAM與激光雷達(dá)SLAM。VSLAM指在室內(nèi)環(huán)境下，用攝像機(jī)、Kinect等深度相機(jī)來(lái)做導(dǎo)航和探索，但是室內(nèi)的VSLAM對(duì)環(huán)境要求高，對(duì)于光照不足、墻面反光的廠房環(huán)境不適用，而且計(jì)算量太大，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的性能要求較高。Wifi-SLAM指利用智能手機(jī)中的多種傳感設(shè)備進(jìn)行定位，包括Wifi、GPS、陀螺儀、加速計(jì)和磁力計(jì)，并通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別等算法將獲得的數(shù)據(jù)繪制出準(zhǔn)確的室內(nèi)地圖，該技術(shù)在擁有強(qiáng)屏蔽環(huán)境的核電站廠房顯然不適用。激光雷達(dá)SLAM指利用激光雷達(dá)作為傳感器，獲取地圖數(shù)據(jù)，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)同步定位與地圖構(gòu)建。該技術(shù)經(jīng)過(guò)多年驗(yàn)證，已相當(dāng)成熟，僅有的價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)相對(duì)于核電環(huán)境人工作業(yè)的高輻照風(fēng)險(xiǎn)也在可接受的范圍內(nèi)。并且激光雷達(dá)具有指向性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得導(dǎo)航的精度得到有效保障，不僅可以在有環(huán)境光的情況下工作，也可以在黑暗中工作，而且在黑暗中測(cè)量效果更好，因此最終濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人選用激光雷達(dá)SLAM導(dǎo)航定位方案。如圖4所示。

激光雷達(dá)SLAM導(dǎo)航定位系統(tǒng)按照功能主要分為3大部分：環(huán)境感知系統(tǒng)、規(guī)劃決策系統(tǒng)和底層控制系統(tǒng)。

環(huán)境感知系統(tǒng)利用機(jī)器人周?chē)惭b的傳感器進(jìn)行環(huán)境地圖的構(gòu)建及環(huán)境信息的探測(cè)和識(shí)別處理，主要包括傳感器模塊、SLAM建圖模塊和多傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合處理模塊。

主要傳感器模塊有激光掃描雷達(dá)、攝像頭、防撞雷達(dá)和超聲測(cè)距傳感器、組合慣導(dǎo)、里程計(jì)。激光掃描雷達(dá)提供高精度的環(huán)境障礙物探測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其功能兼顧建圖和周身環(huán)境實(shí)時(shí)掃描檢測(cè)和識(shí)別，以建圖匹配定位功能為主，以目標(biāo)探測(cè)感知為輔;激光防撞雷達(dá)和超聲測(cè)距雷達(dá)主要提供機(jī)器人周?chē)系K物信息，與激光雷達(dá)和攝像頭融合處理，輔助定位;組合慣導(dǎo)提供機(jī)器人的位姿變化及輔助定位信息;里程計(jì)提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)距離信息系統(tǒng)。采用高精度多傳感器融合技術(shù)，集成激光雷達(dá)、高精度組合慣導(dǎo)和SLAM算法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和測(cè)量，確保了系統(tǒng)的可靠性。

SLAM建圖模塊以機(jī)器人車(chē)體頂部的激光掃描雷達(dá)為主傳感器對(duì)機(jī)器人工作的區(qū)域環(huán)境進(jìn)行掃描探測(cè)，利用激光SLAM技術(shù)進(jìn)行大場(chǎng)景的實(shí)時(shí)地圖建模，從而為路徑規(guī)劃和定位匹配提供精確的激光高精地圖信息。

多傳感器融合處理模塊是機(jī)器人環(huán)境感知的重要單元，通過(guò)將激光雷達(dá)和攝像頭標(biāo)定到統(tǒng)一坐標(biāo)系，然后利用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行機(jī)器人車(chē)體前方目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別融合處理，得到障礙物ID、中心坐標(biāo)、大小、速度等信息，同時(shí)可進(jìn)一步分割出環(huán)境邊界和路沿信息。

決策系統(tǒng)算法的核心任務(wù)是基于感知層系統(tǒng)算法的輸出結(jié)果，給出最終的行為/動(dòng)作指令，包括行為決策（機(jī)器人的啟動(dòng)和停止）和動(dòng)作決策（機(jī)器人的轉(zhuǎn)向、速度等）等，具體功能包括實(shí)時(shí)避障、實(shí)時(shí)定位和路徑規(guī)劃導(dǎo)航。

機(jī)器人在全局路徑自動(dòng)導(dǎo)航過(guò)程中遇到的前方動(dòng)態(tài)障礙物目標(biāo)以及路面路況信息，根據(jù)感知模塊的輸出結(jié)果，避障模塊做出局部路徑規(guī)劃實(shí)時(shí)避開(kāi)障礙物，做出決策行為。

實(shí)時(shí)定位模塊采用如下融合的形式。

（1）采用航跡推算，依靠IMU（慣性測(cè)量單元）等，根據(jù)上一時(shí)刻的位置和方位推斷現(xiàn)在的位置和方位。

（2）環(huán)境特征掃描匹配，基于激光雷達(dá)的定位，用觀測(cè)到的特征和數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征和存儲(chǔ)的特征進(jìn)行匹配，得到現(xiàn)在車(chē)的位置和姿態(tài)。如圖5所示。

路徑規(guī)劃導(dǎo)航是機(jī)器人核心功能，也是決策系統(tǒng)的主要功能，利用感知層系統(tǒng)的信息，利用全局規(guī)劃給出運(yùn)動(dòng)的路線，同時(shí)根據(jù)避障信息的局部規(guī)劃功能做出具體的行為規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，最后轉(zhuǎn)換為一系列連續(xù)的導(dǎo)航航跡目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。如圖6所示。

執(zhí)行系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是根據(jù)融合決策系統(tǒng)給出的路徑規(guī)劃信息完成航跡跟蹤運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人控制。其中主要的航跡跟蹤算法框圖，如圖7所示。

根據(jù)機(jī)器人底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)模型，將解算出的線速度和角速度進(jìn)行平穩(wěn)控制即可。

2.3 上位機(jī)

上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)操作界面由多個(gè)窗體界面組成，包括登錄界面、主界面、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警顯示、帳戶管理等畫(huà)面，操作界面使操作員實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人狀態(tài)信息，并下達(dá)操作指令。

如圖8所示，為開(kāi)發(fā)的RCV過(guò)濾器濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人主界面截圖，上位畫(huà)面動(dòng)態(tài)顯示車(chē)體環(huán)境實(shí)時(shí)建圖信息、車(chē)體環(huán)境視頻信息、車(chē)體位置信息、濾芯桶升降系統(tǒng)狀態(tài)信息、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、車(chē)體運(yùn)動(dòng)控制等信息。

3 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)RCV過(guò)濾器現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)路徑，在試驗(yàn)廠房搭建模擬場(chǎng)景和轉(zhuǎn)運(yùn)路徑，模擬場(chǎng)景，如圖9所示。

如圖10、11所示，圓圈為機(jī)器人本體，五角星為目標(biāo)位置，小三角為路徑點(diǎn)，機(jī)器人按照規(guī)劃路徑前進(jìn)。試驗(yàn)中在路徑中臨時(shí)放置障礙物，紅色點(diǎn)為激光雷達(dá)掃描到的障礙物反射點(diǎn)，機(jī)器人能實(shí)時(shí)檢測(cè)并局部重新規(guī)劃路徑，繞過(guò)障礙物，并最終到達(dá)目標(biāo)位置。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)試及驗(yàn)證，RCV過(guò)濾器濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人能完成復(fù)雜環(huán)境下的濾芯轉(zhuǎn)運(yùn)，根據(jù)目標(biāo)位置，自主完成路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)建圖定位導(dǎo)航，自主避障，各系統(tǒng)模塊功能正常，整機(jī)工作性能穩(wěn)定，機(jī)器人整體功能滿足使用要求，可為電站類似應(yīng)用場(chǎng)景提供應(yīng)用參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖子威.激光雷達(dá)/微慣性室內(nèi)自主建圖與導(dǎo)航技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

[2] 孫鳳池，黃亞樓，康葉偉.基于視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)定位與建圖研究進(jìn)展[J].控制理論與應(yīng)用，2010，27（4）：488-494.

[3] 趙鈺.基于激光傳感器室內(nèi)機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2017.

[4] 鄭向陽(yáng)，熊蓉，顧大強(qiáng).移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和定位技術(shù)[J].機(jī)電工程，2003（20）：35-37.