失控放射源搜寻机器人设计与寻源算法研究

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1、硕士学位论文失控放射源搜寻机器人设计与寻源算法研究DESIGNOFMISSINGRADIOACTIVESOURCESSEARCHINGROBOTANDRESEARCHONSOURCESSEARCHINGALGORITHM倪诗翔哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：621.865.8密级：公开工学硕士学位论文失控放射源搜寻机器人设计与寻源算法研究与寻源算法研究硕士研究生：倪诗翔导师：吴冬梅教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日

2、期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.2U.D.C:621.865.8DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringDESIGNOFMISSINGRADIOACTIVESOURCESSEARCHINGROBOTANDRESEARCHONSOURCESSEARCHINGALGORITHMCandidate：NiShixiangSupervisor：Prof.WuDongmeiAcademicDegreeAppliedfo

3、r：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要近年来，世界范围内核工业大力发展，与此同时，放射源丢失事件也频繁发生。目前，对于放射源的搜寻大多采用人工搜寻，搜寻的效率低，

4、且搜寻人员容易受到辐射伤害。将机器人送入失控放射源可能的所在区域进行搜寻则与此不同，不仅效率可以得到提高同时还能避免人员受到辐射，因此设计一款放射源搜寻机器人具有极大的实用意义。本文围绕放射源搜寻任务，设计了放射源搜寻机器人移动平台的结构，设计了放射源抓取机械臂的结构并进行了运动学分析，提出了基于高斯过程回归的放射源搜寻算法，并且进行了计算机仿真和实物仿真实验。首先，在分析国内外辐射检测机器人和寻源算法的研究现状基础上，根据放射源搜寻任务，提出了寻源机器人的设计指标。针对设计指标，从一些常见的行走机构中选定了

5、机器人移动平台的结构形式为双履带式结构，分析了双履带式行走机构的地面力学性能以选定驱动装置。完成了双履带式移动平台的结构设计。其次，通过分析放射源抓取任务需求，确定了移动平台上装放射源抓取机械臂为4自由度，选定了该机械臂的构型为RRR型，完成了机械臂的结构设计。在此基础上建立了机械臂的运动学模型，对机械臂进行了正、逆运动学分析，得出了机械臂的工作空间，根据所需的工作空间，确定了机械臂的各杆件尺寸。再次，提出了基于高斯过程回归的放射源搜寻算法。算法分为两部分，第一部分为空间辐射强度分布估计算法，即以已知点的位置

6、坐标和辐射强度为训练集，采用高斯过程回归对环境平面中未知点的辐射强度进行估计；第二部分为寻源机器人轨迹规划算法，即建立基于高斯过程回归的最优化函数，通过解决一个最优化问题指导机器人在邻域中选择最优点作为机器人下一步的路径点，通过多次解决局部最优化问题获得全局的最优解。最后，由于放射源是极度危险的物质，没有进行实验的条件，故采取两套仿真实验验证算法的有效性。在计算机仿真实验中，设置仿真γ辐射场进行实验，20组实验结果均为成功，并且由此定量分析了高斯过程回归对辐射场分布估计的效果。在实物仿真实验中，用2.4GHz

7、的电磁波代替γ射线，两次室外实验验证了算法的有效性。论文完成了放射源搜寻机器人的结构设计和运动学分析，为后续的系统设计和控制做好了准备，同时还提出了一种有效的放射源搜寻算法，为机器人自主搜寻放射源提供了理论基础。关键词：移动机器人；放射源搜寻；结构设计；高斯过程回归；寻源算法-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInrecentyears,nuclearindustrydevelopedrapidly.Meanwhile,radioactivesourceslostfromtimetotime.

8、Atpresent,peoplesearchforlostradioactivesourcesbythemselves.Itisinefficiencytosearchinthiswayanditisharmfulforpeople’shealthevenlives.Nevertheless,ifrobotsareusedtosearchforthosesources,itcanbeefficien