徐越鋒XU Yue-feng；宋愛國SONG Ai-guo

（南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

0 引言

伴隨移動互聯(lián)網(wǎng)和視頻行業(yè)的爆發(fā)式增長，對云計算、大數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)設(shè)施的需求持續(xù)增加。面對互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的快速增長，機(jī)房巡檢是保障其安全、穩(wěn)定運行的日常運維任務(wù)之一。目前機(jī)房巡檢多采用人工巡檢方式進(jìn)行，通過對數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備、環(huán)境、動力等進(jìn)行周期性巡查和檢視，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行故障或故障隱患，從而保障安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運行，但也存在著較諸多的問題。人員供給不足、維護(hù)人員技術(shù)水平有限，機(jī)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(shù)據(jù)記錄的多不完整，也無法第一時間在故障發(fā)生時上報。

針對以上人工巡檢方式存在的問題以及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房智能化運維需求，引入智能巡檢機(jī)器人輔助、替代人工巡檢，這一趨勢已成為業(yè)界共識。集成人工智能、傳感測量技術(shù)、信息技術(shù)等而形成巡檢機(jī)器人，輔助甚至替代目前的人工巡檢是其典型的應(yīng)用場景。

1 智能巡檢機(jī)器人設(shè)計原則

①實用性：以研制的功能要求為目的設(shè)計控制系統(tǒng)。人機(jī)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(xí)慣及視覺特征，操作簡便實用。

②可監(jiān)控性：操作人員可通過設(shè)計的用戶界面或操作設(shè)備實現(xiàn)對機(jī)器人本體的移動、外部環(huán)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(jiān)控機(jī)器人的運行狀態(tài)及外部的環(huán)境信息。

③模塊化：控制系統(tǒng)研制以模塊化設(shè)計為原則，主要模塊有移動底盤、通信系統(tǒng)、中心控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)等。不同模塊也應(yīng)遵循階梯化設(shè)計，模塊之間應(yīng)做到高內(nèi)聚、低耦合。

④可擴(kuò)展性：研制的控制系統(tǒng)預(yù)留一定的外接接口，能夠在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，可按后續(xù)場景需求增加新的功能。

⑤可靠性：系統(tǒng)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(zhí)行具體的控制指示。

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

2 智能巡檢機(jī)器人功能需求

根據(jù)在中國移動數(shù)據(jù)中心的實地考察情況，結(jié)合現(xiàn)有的室內(nèi)巡檢機(jī)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(jī)器人在無人為干預(yù)的情況下可按照預(yù)設(shè)的路線完成尋線行走、停車、轉(zhuǎn)向等動作。當(dāng)?shù)竭_(dá)巡檢點停車后控制云臺按預(yù)先設(shè)置好的巡測內(nèi)容、時間、周期、路線等參數(shù)信息進(jìn)行巡檢。

②智能巡檢機(jī)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(xù)前進(jìn)；若障礙物一直存在，智能巡檢機(jī)器人能上報后端軟件監(jiān)控中心，等待人工處理障礙物。

③智能巡檢機(jī)器人具有自檢功能，自檢內(nèi)容包括電源、驅(qū)動、通信和檢測設(shè)備等模塊的工作狀態(tài)，發(fā)生故障時能夠在本體端發(fā)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(jiān)控中心。

④智能巡檢機(jī)器人采用無線通信方式，工控機(jī)和視頻設(shè)備通過無線AP 設(shè)備連接到交換機(jī)上，數(shù)據(jù)中心布置一個以上無線AP 設(shè)備，后端軟件監(jiān)控中心、服務(wù)器和交換機(jī)接入到以太網(wǎng)中，各個設(shè)備之間可以實現(xiàn)互相訪問，無線通信設(shè)施采用最新相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，抗干擾性和無線電磁污染滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 智能巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)功能設(shè)計和方案結(jié)構(gòu)

智能巡檢機(jī)器人設(shè)計的基礎(chǔ)在于穩(wěn)定而可靠的硬件系統(tǒng)，因此硬件系統(tǒng)這個載體的設(shè)計就顯得非常重要。采用接入以太網(wǎng)方式連接交換機(jī)進(jìn)而實現(xiàn)PC 端、服務(wù)器和機(jī)器人的數(shù)據(jù)交互。交換機(jī)布置一個或多個無線AP 設(shè)備，實現(xiàn)機(jī)器人巡檢區(qū)域的全覆蓋。在無線AP 設(shè)備覆蓋區(qū)域內(nèi)，PC 端能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行實時的遠(yuǎn)程控制，同時服務(wù)器也可實現(xiàn)對機(jī)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(yuǎn)程終端的人機(jī)交互界面實時監(jiān)控機(jī)器人的運動規(guī)劃或下達(dá)相應(yīng)的指令及觀測周圍環(huán)境信息。當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心異常情況時，能夠通過無線AP 設(shè)備與PC 端和服務(wù)器進(jìn)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(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于智能巡檢機(jī)器人本體的硬件系統(tǒng)主要包括驅(qū)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(qū)動控制模塊由移動輪、驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動器、編碼器組成。機(jī)器人搭載24V 直流電源，電源通過轉(zhuǎn)換模塊對其他設(shè)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(xiàn)人員與機(jī)器人遠(yuǎn)程交互；各種通信接口則負(fù)責(zé)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(jī)器人本體的核心，負(fù)責(zé)機(jī)器人與PC 端和服務(wù)器以及傳感器的信息管理和控制。傳感器模塊包括環(huán)境監(jiān)測模塊以及機(jī)器人防護(hù)模塊等，環(huán)境監(jiān)測模塊作用是監(jiān)測數(shù)據(jù)中心環(huán)境的溫濕度、有害氣體濃度等；機(jī)器人防護(hù)模塊可以識別移動道路上的障礙物以及斷崖等情況，達(dá)到保護(hù)機(jī)器人的目的。

4 智能巡檢機(jī)器人硬件設(shè)計

4.1 移動輪模塊

設(shè)計采用四輪兩驅(qū)式，底盤的前端有兩個驅(qū)動輪，由兩個電機(jī)分別驅(qū)動，后端裝有兩個萬向輪。機(jī)器人通過控制前端的兩個驅(qū)動輪差速轉(zhuǎn)動可完成底盤的移動和轉(zhuǎn)向，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，前端驅(qū)動輪由電機(jī)驅(qū)動，后端兩個萬向輪則保證了機(jī)器人本體具有足夠的穩(wěn)定性。

為了能夠更好地控制智能巡檢機(jī)器人在運動中的路線，需要先對機(jī)器人本體底盤進(jìn)行運動建模。為了方便對機(jī)器人進(jìn)行建模，假設(shè)機(jī)器人始終處于平整的地面運動，且每個輪子只在地面發(fā)生滾動，而不產(chǎn)生打滑現(xiàn)象?；谝陨系募僭O(shè)，建立如圖2 所示的簡化機(jī)器人運動狀態(tài)示意圖。

圖2 運動狀態(tài)示意

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

機(jī)器人本體轉(zhuǎn)向移動產(chǎn)生的偏移角度為△φ，容易得公式：

根據(jù)公式（1）（2）可推算出機(jī)器人本體轉(zhuǎn)向移動產(chǎn)生的偏移角度△φ 與左右驅(qū)動輪的速度關(guān)系式：

機(jī)器人以O(shè) 點為圓心做圓周運動時，在X 軸上產(chǎn)生的位移量是△x，在Y 軸上產(chǎn)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(jī)器人本體產(chǎn)生的位移量△x、△y 與左右驅(qū)動輪移動速度的關(guān)系式：

從上述推導(dǎo)過程可以看出，通過改變左右驅(qū)動輪移動速度Vr和Vl能夠控制機(jī)器人本體進(jìn)行移動過、轉(zhuǎn)向等運動。

4.2 電機(jī)機(jī)器驅(qū)動器模塊

控制指令經(jīng)過解析后轉(zhuǎn)為可以驅(qū)動電機(jī)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(qū)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(jié)構(gòu)設(shè)計時選用的Maxon 電機(jī)522286（型號）套裝。本方案采用CANopen 控制協(xié)議，所以對每個驅(qū)動器配置節(jié)點號后，將三路控制節(jié)點均串聯(lián)后再進(jìn)行控制。驅(qū)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(jī)，同時伺服電機(jī)還能夠輸出不同的力矩。機(jī)器人本體的三個驅(qū)動電機(jī)都加裝了編碼器，從而形成對驅(qū)動電機(jī)的閉環(huán)控制。

4.3 溫濕度傳感器模塊

智能巡檢機(jī)器人裝載的溫濕度傳感器為SHT45 數(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)信號，測量精度可達(dá)到0.1℃和1%RH，對于數(shù)據(jù)中心的運行需求和設(shè)備的保護(hù)，都可做到規(guī)定的要求。

4.4 氣體檢測儀

設(shè)計選用的氣體檢測儀通過RS485 傳輸數(shù)據(jù)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(yù)設(shè)空氣含量閾值的氣體進(jìn)行報警，這將給工作人員采取必要及時的補(bǔ)救措施提供幫助，對數(shù)據(jù)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(dá)模塊

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

4.6 防跌落傳感器

智能巡檢機(jī)器人本體前端兩側(cè)安裝有防跌落傳感器，使用的是ML100 光電開關(guān)傳感器。光電開關(guān)傳感器安裝時與前進(jìn)方向水平線之間需要預(yù)留一定的角度，確保其打出的光束可以落到地面。當(dāng)機(jī)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(guān)傳感器會檢測到機(jī)器人底盤對地的落差發(fā)生了一定的變化，在落差大于預(yù)先設(shè)置的閾值時，機(jī)器人將會立刻停止移動，防止機(jī)器人發(fā)生不必要的損害。

4.7 無線通信設(shè)備

智能巡檢機(jī)器人采用的無線通信設(shè)備是MOXA 生產(chǎn)的AWK-1137C 無限客戶端配套EDS-205A 交換機(jī)，可以同時采取無線通信或者有線調(diào)試方式。該通信模組可在2.4 或5GHz 頻段經(jīng)行信息交互，同時能夠向后兼容原先的802.11a/b/g 設(shè)備，確保在不影響機(jī)器人巡檢任務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，還可以兼容一些老舊的設(shè)備。

5 智能巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)電路設(shè)計

5.1 驅(qū)動通信電路

驅(qū)動通信電路采用樹莓派CM4 作為核心板，并繪制擴(kuò)展版用于外接各種設(shè)備。主要功能為64 位高性能四核處理器，頻率最高可達(dá)1.5GHz。采用小尺寸設(shè)計，重量輕，設(shè)用于開放的環(huán)境中，且具有良好的穩(wěn)定性和安全性，同時擁有極強(qiáng)的自定義能力。其部分內(nèi)部配置如下：

四個ARM Cortex-A72 內(nèi)核；

高速存儲器，最高可支持8GB 內(nèi)存；

SD 卡接口，用于eMMC5.1 及SD 卡；

28 個GPIO 信號；

千兆以太網(wǎng)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(qū)動通信電路主要分為樹莓派CM4 核心板、CAN 總線電路、電源轉(zhuǎn)換電路、RS485 電路、ⅡC 電路以及網(wǎng)口電路。

圖3 驅(qū)動通信電路結(jié)構(gòu)圖

5.2 電源電路

智能巡檢機(jī)器人采用的是24V 三元鋰電池，但搭載的多數(shù)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(shè)計了24V 轉(zhuǎn)12V、12V 轉(zhuǎn)5V 和5V 轉(zhuǎn)3.3V 的電源轉(zhuǎn)換電路?？紤]到電源轉(zhuǎn)換的效率問題，采用了DCDC 電源轉(zhuǎn)換芯片MP2236GJ,它的作為高集成化、高同步的整流、降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)驅(qū)動器及各類傳感器與樹莓派CM4 核心板的通信，將驅(qū)動器和傳感器采集到數(shù)據(jù)信息交由核心板處理，最后上傳到后端軟件。

6 結(jié)語

為了確保數(shù)據(jù)中心的投入能夠長期提供穩(wěn)定服務(wù)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心的安全性是必然的，其中提供巡檢任務(wù)的智能巡檢機(jī)器人就是代表。當(dāng)前的智能機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)比較成熟，為數(shù)據(jù)中心的安全巡檢提供了很大幫助，但還有很大的進(jìn)步空間，隨著智能機(jī)器人技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷開發(fā)，相信控制模式會更加多樣化、功能會更加豐富，為我國數(shù)據(jù)中心的長期穩(wěn)定發(fā)展提供幫助。