1奶山羊數(shù)字化養(yǎng)殖推料機(jī)器人操作規(guī)范本文件規(guī)定了基于自動(dòng)化技術(shù)的牧場(chǎng)推料機(jī)器人的基本配置要求、總體結(jié)構(gòu)、性能標(biāo)準(zhǔn)、功能要求、數(shù)據(jù)管理，以及對(duì)機(jī)器人的功能和性能進(jìn)行描述。本文件適用于各種規(guī)模的牧場(chǎng)，能夠處理不同類型的飼料堆料。2規(guī)范性引用文件下列文件中內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款，其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T4208外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）GB/T4793.2測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備的安全要求第2部分：電工測(cè)量和試驗(yàn)用手持和手操電流傳感器的特殊要求GB/T7665傳感器通用術(shù)語GB/T20643.2特殊環(huán)境條件環(huán)境試驗(yàn)方法第2部分：人工模擬試驗(yàn)方法及導(dǎo)則電工電子產(chǎn)品（含通信產(chǎn)品）GB10396-2006農(nóng)林拖拉機(jī)和機(jī)械、草坪和園藝動(dòng)力機(jī)械安全標(biāo)志和危險(xiǎn)圖形總則GB/T25110.1工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成工業(yè)應(yīng)用中的分布安裝第1部分：傳感器和執(zhí)行器GB/T37344-2019可穿戴產(chǎn)品應(yīng)用服務(wù)框架GB/T33711移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室信息傳輸系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范GB/T33745—2017物聯(lián)網(wǎng)術(shù)語DB15/T2132-2021智慧牧場(chǎng)（奶牛）術(shù)語GB/T36623-2018信息技術(shù)云計(jì)算文件服務(wù)應(yīng)用接口GM/T0054信息系統(tǒng)密碼應(yīng)用基本要求GB/T28827.1信息技術(shù)服務(wù)運(yùn)行維護(hù)第1部分：通用要求3術(shù)語和定義GB/T13016-2018界定的下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1傳感器sensor是能夠感受到聲音、光照、電流等被測(cè)量的信息，并將信息，變換成為電信號(hào)或者其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求的檢測(cè)裝置。UHF波段UFBband指特高頻無線電波，特高頻是指頻率為300~3000MHz，波長(zhǎng)在1m~1dm的無線電波。23.2物聯(lián)網(wǎng)InternetofThings是指通過各種信息傳感器采集信息后接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過程的智能化感知、識(shí)別和管理的網(wǎng)絡(luò)總稱。3.3API應(yīng)用程序編程接口（applicationprogramminginterface）3.4SPI總線SerialPeripheralInterfaceSPI總線是串行外設(shè)接口的縮寫，是一種高速全雙工通信總線，以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備。SPI總線需要占用四根線，分別為：1）MOSI：對(duì)應(yīng)主設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入；2）MISO：對(duì)應(yīng)主設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出；3）SCLK：時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生；4）CS：從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制。3.5USART接口USARTinterface一個(gè)全雙工通用同步/異步串行收發(fā)接口，是一種高度靈活的串行通信協(xié)議。1）RXD：對(duì)應(yīng)本設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入，對(duì)方設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出；2）TXD：對(duì)應(yīng)本設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出，對(duì)方設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入；4基本配置要求4.1檢測(cè)設(shè)備4.1.1工作模式機(jī)器人應(yīng)能自動(dòng)識(shí)別堆料類型和量，并進(jìn)行堆放物料。4.1.2通訊方式使用無線傳輸數(shù)據(jù)到中心處理器，設(shè)備與中心控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。4.1.3持續(xù)工作時(shí)間應(yīng)能連續(xù)工作超過10小時(shí)，以支持牧場(chǎng)全天候作業(yè)。4.1.4使用環(huán)境條件適應(yīng)各種戶外工作環(huán)境，符合GB/T20643.2要求。4.1.5防護(hù)等級(jí)3防護(hù)等級(jí)為IP55，確保操作和維護(hù)人員的安全。符合GB/T4208要求。4.2數(shù)據(jù)管理4.2.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備應(yīng)具備至少512GB的存儲(chǔ)空間，用于記錄操作數(shù)據(jù)、故障診斷信息及使用日志。4.2.2數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)通過安全加密的方式上傳至云平臺(tái)或本地服務(wù)器，支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和分析。4.2.3用戶界面提供圖形用戶界面(GUI)，支持多語言，簡(jiǎn)潔直觀，易于操作人員學(xué)習(xí)和使用。5設(shè)備通用技術(shù)要求5.1外觀所有系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)標(biāo)有型號(hào)、規(guī)格、制造廠(或商標(biāo))、檢驗(yàn)標(biāo)志。5.2系統(tǒng)完整性配件齊全、應(yīng)提供安裝說明書、用戶說明書、產(chǎn)品合格證。5.3工作正常性安裝方法和功能實(shí)現(xiàn)與說明書一致。6系統(tǒng)工作流程在牧場(chǎng)推料機(jī)器人的工作流程中，多個(gè)環(huán)節(jié)緊密協(xié)作以確保效率和安全性。第一步，牧場(chǎng)推料機(jī)器人及控制端進(jìn)行啟動(dòng)并進(jìn)行自檢，檢查機(jī)器自身是否存在故障以及負(fù)載荷載能力。第二步，管理人員通過控制端下發(fā)堆料任務(wù)，堆料任務(wù)包括：飼料的類型、密度、質(zhì)量、數(shù)量及目標(biāo)地點(diǎn)等。第三步，控制端運(yùn)用5G/GPRS通信技術(shù)對(duì)推料機(jī)器人下發(fā)堆料任務(wù)，其中，數(shù)據(jù)傳輸過程中涉及數(shù)據(jù)傳輸加密任務(wù)。第四步，推料機(jī)器人自動(dòng)或通過人工遠(yuǎn)程操控導(dǎo)航至目標(biāo)堆料區(qū)，使用自動(dòng)導(dǎo)航時(shí)，涉及到路徑優(yōu)化及自動(dòng)避障任務(wù)。第五步，當(dāng)推料機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)堆料區(qū)后，對(duì)控制端下發(fā)的堆料任務(wù)進(jìn)行再次確認(rèn)，若確認(rèn)成功，則執(zhí)行下一步；若確認(rèn)失敗，則返回第二步開始執(zhí)行。第六步，當(dāng)堆料任務(wù)確認(rèn)成功后，開始執(zhí)行裝載或卸載飼料任務(wù)，且對(duì)堆料的高度、精度以及飼料堆疊的穩(wěn)定性有一定要求。第七步，在執(zhí)行完第六步任務(wù)后，推料機(jī)器人對(duì)是否完成堆料任務(wù)進(jìn)行確認(rèn)。第八步，在完成當(dāng)前堆料任務(wù)后，檢查控制端是否有滯留任務(wù)或繼續(xù)下發(fā)堆料任務(wù)，若有堆料任務(wù)，則返回第一步開始執(zhí)行；若無堆料任務(wù)，則返回待命區(qū)，等待控制端再次下發(fā)堆料任務(wù)。同時(shí)異常監(jiān)控系統(tǒng)、安全警報(bào)及緊急停止，貫穿整個(gè)操作流程以確保精確和安全的作業(yè)。牧場(chǎng)推料機(jī)器人工作流程見圖1。4圖1牧場(chǎng)推料機(jī)器人工作流程圖7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)牧場(chǎng)推料機(jī)器人架構(gòu)由用戶層、應(yīng)用層、應(yīng)用支撐層、數(shù)據(jù)交換層及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層構(gòu)成，牧場(chǎng)推料機(jī)器人架構(gòu)如圖2所示。5圖2牧場(chǎng)推料機(jī)器人架構(gòu)圖7.1用戶層在用戶層，用戶界面（UI）為管理人員提供一個(gè)交互的平臺(tái)，并通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)，并進(jìn)行故障診斷及對(duì)操作過程中的異常行為進(jìn)行安全警告。手動(dòng)控制功能對(duì)推料機(jī)器人執(zhí)行啟動(dòng)和緊急停止命令。這個(gè)界面可以直觀地展示機(jī)器人的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和操作歷史，使得管理人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的工作情況并作出快速反應(yīng)。7.2應(yīng)用層在應(yīng)用層，推料機(jī)器人的具體應(yīng)用：物料識(shí)別、自動(dòng)堆料和遠(yuǎn)程控制。物料識(shí)別可以識(shí)別飼料的類型和數(shù)量等，自動(dòng)堆料包含堆疊高度、精度及物料堆疊的穩(wěn)定性。管理人員可以通過在用戶界面的輸入對(duì)機(jī)器人下達(dá)指定的堆料任務(wù)。遠(yuǎn)程控制模塊為通過人工遠(yuǎn)程操控推料機(jī)器人導(dǎo)航至目標(biāo)堆料區(qū)。7.3應(yīng)用支撐層物料識(shí)別通過物料識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)對(duì)飼料類型和數(shù)量的識(shí)別。系統(tǒng)利用現(xiàn)代通信技術(shù)如5G和GPRS來處理數(shù)據(jù)傳輸，這一層確保從機(jī)器人到控制中心的數(shù)據(jù)傳輸快速且安全。安全加密模塊使用現(xiàn)有技術(shù)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全防護(hù)。通過這些高速網(wǎng)絡(luò)連接，機(jī)器人可以接收遠(yuǎn)程命令并發(fā)送運(yùn)行數(shù)據(jù)，確保信息在各個(gè)系統(tǒng)組件之間能夠即時(shí)共享。推料機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)通常包括電機(jī)和液壓系統(tǒng)，確保可以穩(wěn)定地執(zhí)行各種移動(dòng)和堆料任務(wù)。67.4數(shù)據(jù)交換層傳感器收集的數(shù)據(jù)被標(biāo)記和預(yù)處理，如圖像識(shí)別標(biāo)簽，然后通過深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)一步分析，以優(yōu)化機(jī)器人的行為和路徑選擇。硬件控制則直接與機(jī)器人的物理部件如驅(qū)動(dòng)電機(jī)和液壓系統(tǒng)相連，執(zhí)行來自上層的具體操作指令。7.5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層在數(shù)據(jù)采集層，系統(tǒng)利用一系列高精度傳感器來確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。GPS傳感器具有高達(dá)±1米的定位精度，每秒更新一次位置信息，這對(duì)于精確定位機(jī)器人位置至關(guān)重要。加速度計(jì)能夠監(jiān)測(cè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)行為和速度變化，其靈敏度可調(diào)，測(cè)量范圍廣達(dá)±5g。環(huán)境傳感器包括溫度傳感器和濕度傳感器，分別提供-40℃到85℃的測(cè)量范圍和0%至100%RH的濕度監(jiān)測(cè)，精度分別達(dá)到±0.5℃和±2%RH。此外，配備的攝像頭系統(tǒng)不僅支持1080p分辨率和30fps的視頻拍攝，還具備夜視功能，為機(jī)器人提供24小時(shí)的環(huán)境和障礙物監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的軟件部分在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）上運(yùn)行，負(fù)責(zé)從各傳感器收集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)格式化和緩存處理。在整個(gè)作業(yè)過程中，狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的角色。通過機(jī)器人上的傳感器和攝像頭，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控其執(zhí)行狀態(tài)和周邊環(huán)境，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PC電腦。任何異常情況都會(huì)立即反饋到控制室，操作人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控并及時(shí)調(diào)整機(jī)器人的行動(dòng)。此外，為確保人員和設(shè)備的安全，監(jiān)控系統(tǒng)還集成了多重安全協(xié)議，包括緊急停機(jī)、自動(dòng)避障和安全警告等功能。8功能要求8.1自動(dòng)堆料機(jī)器人應(yīng)能夠自動(dòng)堆疊飼料，確保堆放整齊、穩(wěn)固。8.2物料識(shí)別能夠識(shí)別不同類型的飼料，并根據(jù)需要進(jìn)行分類堆疊。8.3負(fù)載能力根據(jù)牧場(chǎng)需求，確定機(jī)器人的最大負(fù)載能力。8.4遠(yuǎn)程控制支持通過遙控器或移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。9系統(tǒng)硬件要求9.1傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人操作的基礎(chǔ)，需要高度精確和可靠。為此，機(jī)器人配備了工業(yè)級(jí)GPS模塊，如u-bloxNEO系列，這類模塊提供至少±1米的定位精度和至少1Hz的更新頻率，并支持多衛(wèi)星系統(tǒng)，以確保在任何地點(diǎn)都有良好的信號(hào)覆蓋。同時(shí)，使用的加速度計(jì)，如AnalogDevices的ADXL345，采用MEMS技術(shù)，提供廣泛的量程和高速的數(shù)據(jù)輸出率，適合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。環(huán)境傳感器方面，機(jī)器人裝備了DS18B20溫度傳感器和Honeywell的HIH系列濕度傳感器，這些傳感器不僅測(cè)量精度高，而7且響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，確保在各種氣候條件下都能準(zhǔn)確工作。此外，機(jī)器人還安裝了高分辨率的Arducam16MP4K攝像頭，支持夜視功能和實(shí)時(shí)視頻流，用于全天候監(jiān)控機(jī)器人周圍的環(huán)境和障礙物。9.2通信模塊通信模塊必須能夠在牧場(chǎng)的廣闊和復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。機(jī)器人使用的雙模通信模塊，如Telit的LE910C1/C4，支持LTE和Wi-Fi，確保機(jī)器人與控制中心之間有穩(wěn)定的連接。為保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全，機(jī)器人還集成了Atmel的ATSHA204A加密模塊，提供硬件級(jí)的安全加密，有效防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。9.3驅(qū)動(dòng)與動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)與動(dòng)力系統(tǒng)也是機(jī)器人性能的關(guān)鍵。機(jī)器人使用的Maxon的EC系列高扭矩?zé)o刷直流電機(jī)（BLDC），具備精確的速度和位置控制功能，可以在不犧牲效率的情況下提供高達(dá)200瓦的連續(xù)輸出功率。此外，為了應(yīng)對(duì)重載作業(yè)，機(jī)器人還配備了高性能液壓系統(tǒng)，包括高效率的液壓泵和多路閥，這些都是為了確保機(jī)械臂和其他動(dòng)作執(zhí)行部件可以平滑且精確地操作。9.4中央處理單元與存儲(chǔ)在中央處理單元與存儲(chǔ)方面，機(jī)器人使用了至少四核的ARMCortex-A系列處理器，如NVIDIAJetsonNano，這種處理器不僅處理速度快，而且能夠有效地執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用的是至少512GB的NVMeSSD，如Samsung970EVOPlus，確保數(shù)據(jù)的快速訪問和安全存儲(chǔ)，便于系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行和維護(hù)。10性能要求10.1載重能力最小載重能力5噸，最大載重能力可達(dá)20噸，適應(yīng)大規(guī)模牧場(chǎng)的需求。10.2操作速度基于載重量自動(dòng)調(diào)整速度，最高速度不超過5km/h，確保安全。10.3精確度堆放精度誤差控制在±5cm以內(nèi)，通過高精度傳感器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。11安全要求11.1設(shè)備配備多個(gè)緊急停止按鈕，易于訪問。11.2應(yīng)圍繞物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、主機(jī)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全等方面構(gòu)建安全體系。配備多方位的障礙物檢測(cè)傳感器，自動(dòng)停機(jī)以防撞擊。11.3應(yīng)具有數(shù)據(jù)加密、系統(tǒng)用戶認(rèn)證、訪問權(quán)限控制等安全防護(hù)，安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)備操作前必須進(jìn)行用戶身份驗(yàn)證，防止未授權(quán)使用。11.4應(yīng)支持對(duì)用戶訪問控制權(quán)限分級(jí)、對(duì)用戶訪問權(quán)限進(jìn)行標(biāo)識(shí)和管理。811.5應(yīng)具有完整的用戶操作日志記錄功能，且日志不可隨意更改。12運(yùn)維要求12.1運(yùn)行維護(hù)應(yīng)符合運(yùn)行維護(hù)的通用要求。設(shè)計(jì)為模塊化，易于更換部件和進(jìn)行日常維護(hù)。12.2建設(shè)方應(yīng)制定系統(tǒng)培訓(xùn)計(jì)劃，確保參與者具備實(shí)施和應(yīng)用能力。提供在線和現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，確保操作人員能夠熟練掌握設(shè)備使用方法。12.3建設(shè)方和參與方應(yīng)對(duì)平臺(tái)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，制定完備的應(yīng)急處理預(yù)案，并嚴(yán)格執(zhí)行。12.4運(yùn)維方應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)、硬件、數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)應(yīng)用等方面運(yùn)行問題及時(shí)定位，并按照運(yùn)維職責(zé)實(shí)時(shí)處理。提供24小時(shí)技術(shù)支持，確保快速響應(yīng)和問題解決。13總體要求本標(biāo)準(zhǔn)適用于大型養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境下的牧場(chǎng)推料機(jī)器人系統(tǒng)，是基于自動(dòng)化技術(shù)的牧場(chǎng)環(huán)境下堆料操作機(jī)器人的基本規(guī)范。系統(tǒng)應(yīng)具備一個(gè)用戶友好的交互平臺(tái)，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示，使管理人員能夠監(jiān)控機(jī)器人狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷，并在操作過程中對(duì)異常行為發(fā)出安全警告。機(jī)器人的啟動(dòng)和自檢機(jī)制必須能夠確保機(jī)器在無故障狀態(tài)下運(yùn)行，并且具備適當(dāng)?shù)呢?fù)載荷載能力。管理人員需通過控制端明確指定堆料任務(wù)的詳細(xì)要求，包括飼料類型、密度、質(zhì)量、數(shù)量及目標(biāo)地點(diǎn)等。控制端應(yīng)利用5G/GPRS等現(xiàn)代通信技術(shù)，安全地加密傳輸任務(wù)數(shù)據(jù)至機(jī)器人。機(jī)器人在自動(dòng)導(dǎo)航或人工遠(yuǎn)程操控下，應(yīng)能進(jìn)行路徑優(yōu)化和自動(dòng)避障，精準(zhǔn)導(dǎo)航至目標(biāo)堆料區(qū)。到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，機(jī)器人需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行再次確認(rèn)，確保任務(wù)的準(zhǔn)確性。任務(wù)執(zhí)行過程中，機(jī)器人應(yīng)監(jiān)控堆料的高度、精度和穩(wěn)定性，以滿足特定的裝載或卸載飼