Fúze radiačních a hloubkových měření pro bezpilotní helikoptéru

Abstract

Lokalizácia radiácie je dôležitá téma pre ochranu človeka a súčasne aj životného prostredia. Je to hlavná úloha, ktorá sa rieši prostredníctvom tejto práce. Pri plnení úlohy sa využíva kombinácia flexibility bezpilotného lietadla a senzorov pre získavanie dát o prostredí v ktorom sú umiestnené. Najdôležitejším senzorom je jednovrstvová Comptonova kamera založená na pokročilej technológii TimePix3 na detekciu žiarenia. Disponuje nízkymi rozmermi a nízkou váhou čo je jednoznačná výhoda oproti ostatným detektorom. Spolu s hĺbkovým senzorom na vnímanie prekážok, LiDAR alebo hĺbková kamera sú umiestnené na konštrukcii bezpilotného lietadla a slúžia ako zdroje dát na lokalizáciu žiarenia radiácie. Merania hĺbkových senzorov sa ukladajú vo forme mapy OctoMap na pohodlné 3D zobrazenie prostredia. Úloha lokalizácie radiácie začína spracovaním dát zo senzorov pomocou rôznych vzorkovacích metód a fúziou radiačných a hĺbkových meraní. Výhodou je funkčnosť detekcie aj v komplexnejšom prostredí. Odhad polôh zdrojov radiácie rieši časticový filter, ktorý je implementovaný v rôznych variantách pre dosiahnutie čo najlepších výsledkov. Posledným senzorom ktorý je súčasťou UAV je RGB kamera. Obraz získaný z kamery je využitý ako vizuálny výstup pre pozorovateľa v ktorom môže jasne vidieť farebne vyznačene zdroje radiácie. Postup detekcie zdrojov radiácie je využiteľný v mnohých oblastiach, ako napríklad v jadrovej energetike, v medicíne a v priemysle. Metódy vyvinuté v tejto práci výrazne zlepšujú schopnosť lokalizácie žiarenia ktorý bol vyvinutý skupinou MRS na ČVUT FEL v Prahe. Hlavnou výhodou navrhovaného riešenia je možnosť lokalizovať viacero zdrojov žiarenia súčasne, čo má veľký potenciál pre zvýšenie bezpečnosti a efektívnosti vo všetkých súvisiacich oblastiach.

Radiation localization is an important topic for the protection of humans and the environment at present. It is the main task that is tackled in this thesis. The task uses a combination of the flexibility of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and sensors to acquire data about the environment in which they are operating. The most essential sensor is a single layer Compton camera based on the advanced TimePix3 technology for radiation detection. The camera has a small size and low weight which is a clear advantage over other detectors for use onboard small UAVs. Together with the depth sensor for obstacle perception, a Light Detection and Ranging (LIDAR) or a depth camera are placed on the UAV structure and serve as data sources for radiation localization. The measurements from the depth sensors are stored in the form of an OctoMap for a convenient 3D representation of the environment. The radiation localization task is performed by processing the sensor data using various sampling methods and fusing the radiation and depth measurements. The advantage is the detection functionality even in more complex environments. The estimation of the positions of the radiation sources is solved using a particle filter, which is implemented in different variants to achieve the best possible results. The last sensor that is used onboard the UAV is the RGB camera. The image obtained from the camera is used as a visual output for the human operators. In the image, the color-coded objects identified as the radiation sources are clearly visualized. The radiation source detection procedure is applicable in many fields such as nuclear energy, medical and industrial applications. The methods developed in this work considerably improve the radiation localization approach developed by the Multi-robot Systems Group (MRS) group at Faculty of Electrical Engineering (FEE) Czech Technical University (CTU). A key advantage of the proposed solution is the ability to localize multiple radiation sources simultaneously which has a great potential for safety and efficiency improvements in all related fields.