數據中心智能巡檢機器人控制系統研究

徐越鋒XU Yue-feng；宋愛國SONG Ai-guo

（南京信息工程大學，南京 210044）

0 引言

伴隨移動互聯網和視頻行業的爆發式增長，對云計算、大數據等基礎設施的需求持續增加。面對互聯網數據中心機房的快速增長，機房巡檢是保障其安全、穩定運行的日常運維任務之一。目前機房巡檢多采用人工巡檢方式進行，通過對數據機房設備、環境、動力等進行周期性巡查和檢視，發現設備運行故障或故障隱患，從而保障安全生產和穩定運行，但也存在著較諸多的問題。人員供給不足、維護人員技術水平有限，機房的定期巡視制度仍舊停留在制度層面，采用人工巡檢方式使得運行數據記錄的多不完整，也無法第一時間在故障發生時上報。

針對以上人工巡檢方式存在的問題以及互聯網數據中心機房智能化運維需求，引入智能巡檢機器人輔助、替代人工巡檢，這一趨勢已成為業界共識。集成人工智能、傳感測量技術、信息技術等而形成巡檢機器人，輔助甚至替代目前的人工巡檢是其典型的應用場景。

1 智能巡檢機器人設計原則

①實用性：以研制的功能要求為目的設計控制系統。人機控制功能滿足實際場景需求，用戶界面盡可能簡潔大方，充分考慮人體工程習慣及視覺特征，操作簡便實用。

②可監控性：操作人員可通過設計的用戶界面或操作設備實現對機器人本體的移動、外部環境觀測等功能的控制。同時通過獲取搭載的傳感器信息，實時監控機器人的運行狀態及外部的環境信息。

③模塊化：控制系統研制以模塊化設計為原則，主要模塊有移動底盤、通信系統、中心控制系統和傳感系統等。不同模塊也應遵循階梯化設計，模塊之間應做到高內聚、低耦合。

④可擴展性：研制的控制系統預留一定的外接接口，能夠在現有功能的基礎上進行二次開發，可按后續場景需求增加新的功能。

⑤可靠性：系統具有高度的安全性和可靠性，有足夠的抗干擾能力，可在特定時間和條件下無錯誤地執行具體的控制指示。

⑥可維護性：研制的控制系統在發生故障后能夠自主排除（或抑制）故障予以修復，然后恢復到原來正常工作的狀態。

2 智能巡檢機器人功能需求

根據在中國移動數據中心的實地考察情況，結合現有的室內巡檢機器人面臨的問題及需求，本研究提出以下的功能需求：

①智能巡檢機器人在無人為干預的情況下可按照預設的路線完成尋線行走、停車、轉向等動作。當到達巡檢點停車后控制云臺按預先設置好的巡測內容、時間、周期、路線等參數信息進行巡檢。

②智能巡檢機器人在移動中檢測到障礙物時，立即停止并等待障礙物移除后繼續前進；若障礙物一直存在，智能巡檢機器人能上報后端軟件監控中心，等待人工處理障礙物。

③智能巡檢機器人具有自檢功能，自檢內容包括電源、驅動、通信和檢測設備等模塊的工作狀態，發生故障時能夠在本體端發出聲光警報，在通信正常的情況下會上傳故障信息到后端軟件監控中心。

④智能巡檢機器人采用無線通信方式，工控機和視頻設備通過無線AP 設備連接到交換機上，數據中心布置一個以上無線AP 設備，后端軟件監控中心、服務器和交換機接入到以太網中，各個設備之間可以實現互相訪問，無線通信設施采用最新相關標準，抗干擾性和無線電磁污染滿足國家標準。

3 智能巡檢機器人控制系統功能設計和方案結構

智能巡檢機器人設計的基礎在于穩定而可靠的硬件系統，因此硬件系統這個載體的設計就顯得非常重要。采用接入以太網方式連接交換機進而實現PC 端、服務器和機器人的數據交互。交換機布置一個或多個無線AP 設備，實現機器人巡檢區域的全覆蓋。在無線AP 設備覆蓋區域內，PC 端能夠對機器人進行實時的遠程控制，同時服務器也可實現對機器人采集到的信息做出及時的存儲和處理反饋。工作人員能夠利用遠程終端的人機交互界面實時監控機器人的運動規劃或下達相應的指令及觀測周圍環境信息。當機器人發現數據中心異常情況時，能夠通過無線AP 設備與PC 端和服務器進行信息的傳輸和交互，對異常情況做出自主判斷并上報告警。智能巡檢機器人控制系統總體結構如圖1 所示。

圖1 智能巡檢機器人控制系統結構

對于智能巡檢機器人本體的硬件系統主要包括驅動控制模塊、供電模塊、通信模塊、中心控制模塊、傳感器模塊五大模塊。驅動控制模塊由移動輪、驅動電機、驅動器、編碼器組成。機器人搭載24V 直流電源，電源通過轉換模塊對其他設備供電。通信模塊分為無線通信模塊和不同通信接口，無線通信模塊實現人員與機器人遠程交互；各種通信接口則負責搭載的傳感器與控制模塊之間的信息的傳輸。中心控制模塊作為機器人本體的核心，負責機器人與PC 端和服務器以及傳感器的信息管理和控制。傳感器模塊包括環境監測模塊以及機器人防護模塊等，環境監測模塊作用是監測數據中心環境的溫濕度、有害氣體濃度等；機器人防護模塊可以識別移動道路上的障礙物以及斷崖等情況，達到保護機器人的目的。

4 智能巡檢機器人硬件設計

4.1 移動輪模塊

設計采用四輪兩驅式，底盤的前端有兩個驅動輪，由兩個電機分別驅動，后端裝有兩個萬向輪。機器人通過控制前端的兩個驅動輪差速轉動可完成底盤的移動和轉向，這種方式結構簡單，定位精度高，前端驅動輪由電機驅動，后端兩個萬向輪則保證了機器人本體具有足夠的穩定性。

為了能夠更好地控制智能巡檢機器人在運動中的路線，需要先對機器人本體底盤進行運動建模。為了方便對機器人進行建模，假設機器人始終處于平整的地面運動，且每個輪子只在地面發生滾動，而不產生打滑現象。基于以上的假設，建立如圖2 所示的簡化機器人運動狀態示意圖。

圖2 運動狀態示意

圖中虛線表示為機器人本體的初始位置，實線表示為機器人本體移動后的位置，兩者的時間間隔為△t。機器人本體左驅動輪的移動速度為Vr、右驅動輪的移動速度為Vl，機器人以O 點為圓心做圓周運動，轉向半徑為d。由此可以推的以下公式：

機器人本體轉向移動產生的偏移角度為△φ，容易得公式：

根據公式（1）（2）可推算出機器人本體轉向移動產生的偏移角度△φ 與左右驅動輪的速度關系式：

機器人以O 點為圓心做圓周運動時，在X 軸上產生的位移量是△x，在Y 軸上產生的位移量是△y，則可列出公式：

將公式（1）（3）代入公式（4）（5）中，即可得出機器人本體產生的位移量△x、△y 與左右驅動輪移動速度的關系式：

從上述推導過程可以看出，通過改變左右驅動輪移動速度Vr和Vl能夠控制機器人本體進行移動過、轉向等運動。

4.2 電機機器驅動器模塊

控制指令經過解析后轉為可以驅動電機的控制信號，從而控制底盤的移動以及升降臂的抬升收縮，驅動器選用Maxon 公司EPOS2 24/5 系列控制器，其滿載120W 功耗，體積小巧，滿足結構設計時選用的Maxon 電機522286（型號）套裝。本方案采用CANopen 控制協議，所以對每個驅動器配置節點號后，將三路控制節點均串聯后再進行控制。驅動輪為可變速控制控制方式，故而選用的高精度控制的伺服電機，同時伺服電機還能夠輸出不同的力矩。機器人本體的三個驅動電機都加裝了編碼器，從而形成對驅動電機的閉環控制。

4.3 溫濕度傳感器模塊

智能巡檢機器人裝載的溫濕度傳感器為SHT45 數字溫濕度傳感器，其采用卷帶式封裝，具有超小的尺寸，可以輕松實現高集成化，同時能夠具有較高的可靠性。此溫濕度傳感器通過ⅡC 傳輸數據信號，測量精度可達到0.1℃和1%RH，對于數據中心的運行需求和設備的保護，都可做到規定的要求。

4.4 氣體檢測儀

設計選用的氣體檢測儀通過RS485 傳輸數據信息，其可以實時顯示識別的氣體種類，包括一氧化碳、甲烷、硫化氫等多種有毒有害氣體，同時通過分析計算出識別氣體的空氣含量，對超出預設空氣含量閾值的氣體進行報警，這將給工作人員采取必要及時的補救措施提供幫助，對數據中心能夠安全有效的運行具有重大的意義。

4.5 超聲波避障雷達模塊

智能巡檢機器人本體后端兩側安裝有超聲波避障雷達，使用的是A21 超聲波傳感器模組。其作用是在機器人倒車時，超聲波避障雷達會自動打開，在檢測到后方有障礙物時，機器人會停止倒車等待障礙物移走后，再恢復倒車狀態。即使在面對快速移動的物體時，機器人也可采取緊急避障措施并上報系統預警同時發出閃光燈示警，提醒工作人員做出相應的反應。

4.6 防跌落傳感器

智能巡檢機器人本體前端兩側安裝有防跌落傳感器，使用的是ML100 光電開關傳感器。光電開關傳感器安裝時與前進方向水平線之間需要預留一定的角度，確保其打出的光束可以落到地面。當機器人移動時遇到臺階等路面具有較大落差的情況時，光電開關傳感器會檢測到機器人底盤對地的落差發生了一定的變化，在落差大于預先設置的閾值時，機器人將會立刻停止移動，防止機器人發生不必要的損害。

4.7 無線通信設備

智能巡檢機器人采用的無線通信設備是MOXA 生產的AWK-1137C 無限客戶端配套EDS-205A 交換機，可以同時采取無線通信或者有線調試方式。該通信模組可在2.4 或5GHz 頻段經行信息交互，同時能夠向后兼容原先的802.11a/b/g 設備，確保在不影響機器人巡檢任務的數據傳輸的同時，還可以兼容一些老舊的設備。

5 智能巡檢機器人控制系統電路設計

5.1 驅動通信電路

驅動通信電路采用樹莓派CM4 作為核心板，并繪制擴展版用于外接各種設備。主要功能為64 位高性能四核處理器，頻率最高可達1.5GHz。采用小尺寸設計，重量輕，設用于開放的環境中，且具有良好的穩定性和安全性，同時擁有極強的自定義能力。其部分內部配置如下：

四個ARM Cortex-A72 內核；

高速存儲器，最高可支持8GB 內存；

SD 卡接口，用于eMMC5.1 及SD 卡；

28 個GPIO 信號；

千兆以太網支持2.4GHz 或5GHz 雙頻；

一個USB2.0 接口，一個USB3.0 接口；

4 通道MIPI DSI 顯示接口；

4 通道MIPI CSI 顯示接口；

如圖3 所示，驅動通信電路主要分為樹莓派CM4 核心板、CAN 總線電路、電源轉換電路、RS485 電路、ⅡC 電路以及網口電路。

圖3 驅動通信電路結構圖

5.2 電源電路

智能巡檢機器人采用的是24V 三元鋰電池，但搭載的多數傳感器采用的是12V 供電，樹莓派CM4 核心板需要5V 供電以及一些需要3.3V 供電的通信接口。因此設計了24V 轉12V、12V 轉5V 和5V 轉3.3V 的電源轉換電路。考慮到電源轉換的效率問題，采用了DCDC 電源轉換芯片MP2236GJ,它的作為高集成化、高同步的整流、降壓開關模式轉換器，輸入電壓范圍為3V 到25V，輸出電壓范圍為0.6V 到8V。

5.3 通信電路

智能巡檢機器人通信電路分為三部分，包括CAN 總線電路、RS485 電路以及ⅡC 電路。用于三路電機驅動器及各類傳感器與樹莓派CM4 核心板的通信，將驅動器和傳感器采集到數據信息交由核心板處理，最后上傳到后端軟件。

6 結語

為了確保數據中心的投入能夠長期提供穩定服務，加強數據中心的安全性是必然的，其中提供巡檢任務的智能巡檢機器人就是代表。當前的智能機器人技術已經比較成熟，為數據中心的安全巡檢提供了很大幫助，但還有很大的進步空間，隨著智能機器人技術和互聯網技術的不斷開發，相信控制模式會更加多樣化、功能會更加豐富，為我國數據中心的長期穩定發展提供幫助。