1奶山羊數字化養殖推料機器人操作規范本文件規定了基于自動化技術的牧場推料機器人的基本配置要求、總體結構、性能標準、功能要求、數據管理，以及對機器人的功能和性能進行描述。本文件適用于各種規模的牧場，能夠處理不同類型的飼料堆料。2規范性引用文件下列文件中內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款，其中，注日期的引用文件，僅該日期對應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外殼防護等級（IP代碼）GB/T4793.2測量、控制和實驗室用電氣設備的安全要求第2部分：電工測量和試驗用手持和手操電流傳感器的特殊要求GB/T7665傳感器通用術語GB/T20643.2特殊環境條件環境試驗方法第2部分：人工模擬試驗方法及導則電工電子產品（含通信產品）GB10396-2006農林拖拉機和機械、草坪和園藝動力機械安全標志和危險圖形總則GB/T25110.1工業自動化系統與集成工業應用中的分布安裝第1部分：傳感器和執行器GB/T37344-2019可穿戴產品應用服務框架GB/T33711移動實驗室信息傳輸系統通用技術規范GB/T33745—2017物聯網術語DB15/T2132-2021智慧牧場（奶牛）術語GB/T36623-2018信息技術云計算文件服務應用接口GM/T0054信息系統密碼應用基本要求GB/T28827.1信息技術服務運行維護第1部分：通用要求3術語和定義GB/T13016-2018界定的下列術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、電流等被測量的信息，并將信息，變換成為電信號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、顯示、記錄和控制等要求的檢測裝置。UHF波段UFBband指特高頻無線電波，特高頻是指頻率為300~3000MHz，波長在1m~1dm的無線電波。23.2物聯網InternetofThings是指通過各種信息傳感器采集信息后接入網絡，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理的網絡總稱。3.3API應用程序編程接口（applicationprogramminginterface）3.4SPI總線SerialPeripheralInterfaceSPI總線是串行外設接口的縮寫，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主設備和一個從設備。SPI總線需要占用四根線，分別為：1）MOSI：對應主設備的數據輸出，從設備的數據輸入；2）MISO：對應主設備的數據輸入，從設備的數據輸出；3）SCLK：時鐘信號，由主設備產生；4）CS：從設備使能信號，由主設備控制。3.5USART接口USARTinterface一個全雙工通用同步/異步串行收發接口，是一種高度靈活的串行通信協議。1）RXD：對應本設備的數據輸入，對方設備的數據輸出；2）TXD：對應本設備的數據輸出，對方設備的數據輸入；4基本配置要求4.1檢測設備4.1.1工作模式機器人應能自動識別堆料類型和量，并進行堆放物料。4.1.2通訊方式使用無線傳輸數據到中心處理器，設備與中心控制系統間的數據實時傳輸。4.1.3持續工作時間應能連續工作超過10小時，以支持牧場全天候作業。4.1.4使用環境條件適應各種戶外工作環境，符合GB/T20643.2要求。4.1.5防護等級3防護等級為IP55，確保操作和維護人員的安全。符合GB/T4208要求。4.2數據管理4.2.1數據存儲設備應具備至少512GB的存儲空間，用于記錄操作數據、故障診斷信息及使用日志。4.2.2數據上傳數據通過安全加密的方式上傳至云平臺或本地服務器，支持遠程監控和分析。4.2.3用戶界面提供圖形用戶界面(GUI)，支持多語言，簡潔直觀，易于操作人員學習和使用。5設備通用技術要求5.1外觀所有系統設備應標有型號、規格、制造廠(或商標)、檢驗標志。5.2系統完整性配件齊全、應提供安裝說明書、用戶說明書、產品合格證。5.3工作正常性安裝方法和功能實現與說明書一致。6系統工作流程在牧場推料機器人的工作流程中，多個環節緊密協作以確保效率和安全性。第一步，牧場推料機器人及控制端進行啟動并進行自檢，檢查機器自身是否存在故障以及負載荷載能力。第二步，管理人員通過控制端下發堆料任務，堆料任務包括：飼料的類型、密度、質量、數量及目標地點等。第三步，控制端運用5G/GPRS通信技術對推料機器人下發堆料任務，其中，數據傳輸過程中涉及數據傳輸加密任務。第四步，推料機器人自動或通過人工遠程操控導航至目標堆料區，使用自動導航時，涉及到路徑優化及自動避障任務。第五步，當推料機器人到達目標堆料區后，對控制端下發的堆料任務進行再次確認，若確認成功，則執行下一步；若確認失敗，則返回第二步開始執行。第六步，當堆料任務確認成功后，開始執行裝載或卸載飼料任務，且對堆料的高度、精度以及飼料堆疊的穩定性有一定要求。第七步，在執行完第六步任務后，推料機器人對是否完成堆料任務進行確認。第八步，在完成當前堆料任務后，檢查控制端是否有滯留任務或繼續下發堆料任務，若有堆料任務，則返回第一步開始執行；若無堆料任務，則返回待命區，等待控制端再次下發堆料任務。同時異常監控系統、安全警報及緊急停止，貫穿整個操作流程以確保精確和安全的作業。牧場推料機器人工作流程見圖1。4圖1牧場推料機器人工作流程圖7系統結構牧場推料機器人架構由用戶層、應用層、應用支撐層、數據交換層及數據存儲層構成，牧場推料機器人架構如圖2所示。5圖2牧場推料機器人架構圖7.1用戶層在用戶層，用戶界面（UI）為管理人員提供一個交互的平臺，并通過實時數據顯示監控機器人的狀態，并進行故障診斷及對操作過程中的異常行為進行安全警告。手動控制功能對推料機器人執行啟動和緊急停止命令。這個界面可以直觀地展示機器人的實時數據和操作歷史，使得管理人員可以實時監控機器人的工作情況并作出快速反應。7.2應用層在應用層，推料機器人的具體應用：物料識別、自動堆料和遠程控制。物料識別可以識別飼料的類型和數量等，自動堆料包含堆疊高度、精度及物料堆疊的穩定性。管理人員可以通過在用戶界面的輸入對機器人下達指定的堆料任務。遠程控制模塊為通過人工遠程操控推料機器人導航至目標堆料區。7.3應用支撐層物料識別通過物料識別算法實現對飼料類型和數量的識別。系統利用現代通信技術如5G和GPRS來處理數據傳輸，這一層確保從機器人到控制中心的數據傳輸快速且安全。安全加密模塊使用現有技術，加強數據傳輸過程中的安全防護。通過這些高速網絡連接，機器人可以接收遠程命令并發送運行數據，確保信息在各個系統組件之間能夠即時共享。推料機器人的動力系統通常包括電機和液壓系統，確保可以穩定地執行各種移動和堆料任務。67.4數據交換層傳感器收集的數據被標記和預處理，如圖像識別標簽，然后通過深度學習算法進一步分析，以優化機器人的行為和路徑選擇。硬件控制則直接與機器人的物理部件如驅動電機和液壓系統相連，執行來自上層的具體操作指令。7.5數據存儲層在數據采集層，系統利用一系列高精度傳感器來確保數據的實時性和準確性。GPS傳感器具有高達±1米的定位精度，每秒更新一次位置信息，這對于精確定位機器人位置至關重要。加速度計能夠監測機器人的動態行為和速度變化，其靈敏度可調，測量范圍廣達±5g。環境傳感器包括溫度傳感器和濕度傳感器，分別提供-40℃到85℃的測量范圍和0%至100%RH的濕度監測，精度分別達到±0.5℃和±2%RH。此外，配備的攝像頭系統不僅支持1080p分辨率和30fps的視頻拍攝，還具備夜視功能，為機器人提供24小時的環境和障礙物監測。系統的軟件部分在實時操作系統（RTOS）上運行，負責從各傳感器收集數據，并進行初步的數據格式化和緩存處理。在整個作業過程中，狀態監控系統發揮著至關重要的角色。通過機器人上的傳感器和攝像頭，系統能實時監控其執行狀態和周邊環境，并將數據存儲在PC電腦。任何異常情況都會立即反饋到控制室，操作人員可以遠程監控并及時調整機器人的行動。此外，為確保人員和設備的安全，監控系統還集成了多重安全協議，包括緊急停機、自動避障和安全警告等功能。8功能要求8.1自動堆料機器人應能夠自動堆疊飼料，確保堆放整齊、穩固。8.2物料識別能夠識別不同類型的飼料，并根據需要進行分類堆疊。8.3負載能力根據牧場需求，確定機器人的最大負載能力。8.4遠程控制支持通過遙控器或移動設備進行遠程操作。9系統硬件要求9.1傳感器系統傳感器系統是整個機器人操作的基礎，需要高度精確和可靠。為此，機器人配備了工業級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，并支持多衛星系統，以確保在任何地點都有良好的信號覆蓋。同時，使用的加速度計，如AnalogDevices的ADXL345，采用MEMS技術，提供廣泛的量程和高速的數據輸出率，適合動態監測機器人的運動。環境傳感器方面，機器人裝備了DS18B20溫度傳感器和Honeywell的HIH系列濕度傳感器，這些傳感器不僅測量精度高，而7且響應速度快，穩定性好，確保在各種氣候條件下都能準確工作。此外，機器人還安裝了高分辨率的Arducam16MP4K攝像頭，支持夜視功能和實時視頻流，用于全天候監控機器人周圍的環境和障礙物。9.2通信模塊通信模塊必須能夠在牧場的廣闊和復雜環境中保持穩定的數據傳輸。機器人使用的雙模通信模塊，如Telit的LE910C1/C4，支持LTE和Wi-Fi，確保機器人與控制中心之間有穩定的連接。為保證數據在傳輸過程中的安全，機器人還集成了Atmel的ATSHA204A加密模塊，提供硬件級的安全加密，有效防止數據被竊取或篡改。9.3驅動與動力系統驅動與動力系統也是機器人性能的關鍵。機器人使用的Maxon的EC系列高扭矩無刷直流電機（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200瓦的連續輸出功率。此外，為了應對重載作業，機器人還配備了高性能液壓系統，包括高效率的液壓泵和多路閥，這些都是為了確保機械臂和其他動作執行部件可以平滑且精確地操作。9.4中央處理單元與存儲在中央處理單元與存儲方面，機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，而且能夠有效地執行復雜的數據處理和機器學習任務。數據存儲使用的是至少512GB的NVMeSSD，如Samsung970EVOPlus，確保數據的快速訪問和安全存儲，便于系統的長期運行和維護。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20噸，適應大規模牧場的需求。10.2操作速度基于載重量自動調整速度，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，通過高精度傳感器實現精準定位。11安全要求11.1設備配備多個緊急停止按鈕，易于訪問。11.2應圍繞物理安全、網絡安全、主機安全、應用安全、數據安全等方面構建安全體系。配備多方位的障礙物檢測傳感器，自動停機以防撞擊。11.3應具有數據加密、系統用戶認證、訪問權限控制等安全防護，安全可靠穩定運行。設備操作前必須進行用戶身份驗證，防止未授權使用。11.4應支持對用戶訪問控制權限分級、對用戶訪問權限進行標識和管理。811.5應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運維要求12.1運行維護應符合運行維護的通用要求。設計為模塊化，易于更換部件和進行日常維護。12.2建設方應制定系統培訓計劃，確保參與者具備實施和應用能力。提供在線和現場培訓，確保操作人員能夠熟練掌握設備使用方法。12.3建設方和參與方應對平臺運行情況進行實時監控，制定完備的應急處理預案，并嚴格執行。12.4運維方應對網絡、硬件、數據庫、系統應用等方面運行問題及時定位，并按照運維職責實時處理。提供24小時技術支持，確保快速響應和問題解決。13總體要求本標準適用于大型養殖場環境下的牧場推料機器人系統，是基于自動化技術的牧場環境下堆料操作機器人的基本規范。系統應具備一個用戶友好的交互平臺，通過實時數據展示，使管理人員能夠監控機器人狀態，進行故障診斷，并在操作過程中對異常行為發出安全警告。機器人的啟動和自檢機制必須能夠確保機器在無故障狀態下運行，并且具備適當的負載荷載能力。管理人員需通過控制端明確指定堆料任務的詳細要求，包括飼料類型、密度、質量、數量及目標地點等。控制端應利用5G/GPRS等現代通信技術，安全地加密傳輸任務數據至機器人。機器人在自動導航或人工遠程操控下，應能進行路徑優化和自動避障，精準導航至目標堆料區。到達目標區域后，機器人需要對任務進行再次確認，確保任務的準確性。任務執行過程中，機器人應監控堆料的高度、精度和穩定性，以滿足特定的裝載或卸載飼