奶山羊数字化养殖推料机器人操作规范

1奶山羊数字化养殖推料机器人操作规范本文件规定了基于自动化技术的牧场推料机器人的基本配置要求、总体结构、性能标准、功能要求、数据管理，以及对机器人的功能和性能进行描述。本文件适用于各种规模的牧场，能够处理不同类型的饲料堆料。2规范性引用文件下列文件中内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款，其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T4208外壳防护等级（IP代码）GB/T4793.2测量、控制和实验室用电气设备的安全要求第2部分：电工测量和试验用手持和手操电流传感器的特殊要求GB/T7665传感器通用术语GB/T20643.2特殊环境条件环境试验方法第2部分：人工模拟试验方法及导则电工电子产品（含通信产品）GB10396-2006农林拖拉机和机械、草坪和园艺动力机械安全标志和危险图形总则GB/T25110.1工业自动化系统与集成工业应用中的分布安装第1部分：传感器和执行器GB/T37344-2019可穿戴产品应用服务框架GB/T33711移动实验室信息传输系统通用技术规范GB/T33745—2017物联网术语DB15/T2132-2021智慧牧场（奶牛）术语GB/T36623-2018信息技术云计算文件服务应用接口GM/T0054信息系统密码应用基本要求GB/T28827.1信息技术服务运行维护第1部分：通用要求3术语和定义GB/T13016-2018界定的下列术语和定义适用于本文件。3.1传感器sensor是能够感受到声音、光照、电流等被测量的信息，并将信息，变换成为电信号或者其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测装置。UHF波段UFBband指特高频无线电波，特高频是指频率为300~3000MHz，波长在1m~1dm的无线电波。23.2物联网InternetofThings是指通过各种信息传感器采集信息后接入网络，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理的网络总称。3.3API应用程序编程接口（applicationprogramminginterface）3.4SPI总线SerialPeripheralInterfaceSPI总线是串行外设接口的缩写，是一种高速全双工通信总线，以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个从设备。SPI总线需要占用四根线，分别为：1）MOSI：对应主设备的数据输出，从设备的数据输入；2）MISO：对应主设备的数据输入，从设备的数据输出；3）SCLK：时钟信号，由主设备产生；4）CS：从设备使能信号，由主设备控制。3.5USART接口USARTinterface一个全双工通用同步/异步串行收发接口，是一种高度灵活的串行通信协议。1）RXD：对应本设备的数据输入，对方设备的数据输出；2）TXD：对应本设备的数据输出，对方设备的数据输入；4基本配置要求4.1检测设备4.1.1工作模式机器人应能自动识别堆料类型和量，并进行堆放物料。4.1.2通讯方式使用无线传输数据到中心处理器，设备与中心控制系统间的数据实时传输。4.1.3持续工作时间应能连续工作超过10小时，以支持牧场全天候作业。4.1.4使用环境条件适应各种户外工作环境，符合GB/T20643.2要求。4.1.5防护等级3防护等级为IP55，确保操作和维护人员的安全。符合GB/T4208要求。4.2数据管理4.2.1数据存储设备应具备至少512GB的存储空间，用于记录操作数据、故障诊断信息及使用日志。4.2.2数据上传数据通过安全加密的方式上传至云平台或本地服务器，支持远程监控和分析。4.2.3用户界面提供图形用户界面(GUI)，支持多语言，简洁直观，易于操作人员学习和使用。5设备通用技术要求5.1外观所有系统设备应标有型号、规格、制造厂(或商标)、检验标志。5.2系统完整性配件齐全、应提供安装说明书、用户说明书、产品合格证。5.3工作正常性安装方法和功能实现与说明书一致。6系统工作流程在牧场推料机器人的工作流程中，多个环节紧密协作以确保效率和安全性。第一步，牧场推料机器人及控制端进行启动并进行自检，检查机器自身是否存在故障以及负载荷载能力。第二步，管理人员通过控制端下发堆料任务，堆料任务包括：饲料的类型、密度、质量、数量及目标地点等。第三步，控制端运用5G/GPRS通信技术对推料机器人下发堆料任务，其中，数据传输过程中涉及数据传输加密任务。第四步，推料机器人自动或通过人工远程操控导航至目标堆料区，使用自动导航时，涉及到路径优化及自动避障任务。第五步，当推料机器人到达目标堆料区后，对控制端下发的堆料任务进行再次确认，若确认成功，则执行下一步；若确认失败，则返回第二步开始执行。第六步，当堆料任务确认成功后，开始执行装载或卸载饲料任务，且对堆料的高度、精度以及饲料堆叠的稳定性有一定要求。第七步，在执行完第六步任务后，推料机器人对是否完成堆料任务进行确认。第八步，在完成当前堆料任务后，检查控制端是否有滞留任务或继续下发堆料任务，若有堆料任务，则返回第一步开始执行；若无堆料任务，则返回待命区，等待控制端再次下发堆料任务。同时异常监控系统、安全警报及紧急停止，贯穿整个操作流程以确保精确和安全的作业。牧场推料机器人工作流程见图1。4图1牧场推料机器人工作流程图7系统结构牧场推料机器人架构由用户层、应用层、应用支撑层、数据交换层及数据存储层构成，牧场推料机器人架构如图2所示。5图2牧场推料机器人架构图7.1用户层在用户层，用户界面（UI）为管理人员提供一个交互的平台，并通过实时数据显示监控机器人的状态，并进行故障诊断及对操作过程中的异常行为进行安全警告。手动控制功能对推料机器人执行启动和紧急停止命令。这个界面可以直观地展示机器人的实时数据和操作历史，使得管理人员可以实时监控机器人的工作情况并作出快速反应。7.2应用层在应用层，推料机器人的具体应用：物料识别、自动堆料和远程控制。物料识别可以识别饲料的类型和数量等，自动堆料包含堆叠高度、精度及物料堆叠的稳定性。管理人员可以通过在用户界面的输入对机器人下达指定的堆料任务。远程控制模块为通过人工远程操控推料机器人导航至目标堆料区。7.3应用支撑层物料识别通过物料识别算法实现对饲料类型和数量的识别。系统利用现代通信技术如5G和GPRS来处理数据传输，这一层确保从机器人到控制中心的数据传输快速且安全。安全加密模块使用现有技术，加强数据传输过程中的安全防护。通过这些高速网络连接，机器人可以接收远程命令并发送运行数据，确保信息在各个系统组件之间能够即时共享。推料机器人的动力系统通常包括电机和液压系统，确保可以稳定地执行各种移动和堆料任务。67.4数据交换层传感器收集的数据被标记和预处理，如图像识别标签，然后通过深度学习算法进一步分析，以优化机器人的行为和路径选择。硬件控制则直接与机器人的物理部件如驱动电机和液压系统相连，执行来自上层的具体操作指令。7.5数据存储层在数据采集层，系统利用一系列高精度传感器来确保数据的实时性和准确性。GPS传感器具有高达±1米的定位精度，每秒更新一次位置信息，这对于精确定位机器人位置至关重要。加速度计能够监测机器人的动态行为和速度变化，其灵敏度可调，测量范围广达±5g。环境传感器包括温度传感器和湿度传感器，分别提供-40℃到85℃的测量范围和0%至100%RH的湿度监测，精度分别达到±0.5℃和±2%RH。此外，配备的摄像头系统不仅支持1080p分辨率和30fps的视频拍摄，还具备夜视功能，为机器人提供24小时的环境和障碍物监测。系统的软件部分在实时操作系统（RTOS）上运行，负责从各传感器收集数据，并进行初步的数据格式化和缓存处理。在整个作业过程中，状态监控系统发挥着至关重要的角色。通过机器人上的传感器和摄像头，系统能实时监控其执行状态和周边环境，并将数据存储在PC电脑。任何异常情况都会立即反馈到控制室，操作人员可以远程监控并及时调整机器人的行动。此外，为确保人员和设备的安全，监控系统还集成了多重安全协议，包括紧急停机、自动避障和安全警告等功能。8功能要求8.1自动堆料机器人应能够自动堆叠饲料，确保堆放整齐、稳固。8.2物料识别能够识别不同类型的饲料，并根据需要进行分类堆叠。8.3负载能力根据牧场需求，确定机器人的最大负载能力。8.4远程控制支持通过遥控器或移动设备进行远程操作。9系统硬件要求9.1传感器系统传感器系统是整个机器人操作的基础，需要高度精确和可靠。为此，机器人配备了工业级GPS模块，如u-bloxNEO系列，这类模块提供至少±1米的定位精度和至少1Hz的更新频率，并支持多卫星系统，以确保在任何地点都有良好的信号覆盖。同时，使用的加速度计，如AnalogDevices的ADXL345，采用MEMS技术，提供广泛的量程和高速的数据输出率，适合动态监测机器人的运动。环境传感器方面，机器人装备了DS18B20温度传感器和Honeywell的HIH系列湿度传感器，这些传感器不仅测量精度高，而7且响应速度快，稳定性好，确保在各种气候条件下都能准确工作。此外，机器人还安装了高分辨率的Arducam16MP4K摄像头，支持夜视功能和实时视频流，用于全天候监控机器人周围的环境和障碍物。9.2通信模块通信模块必须能够在牧场的广阔和复杂环境中保持稳定的数据传输。机器人使用的双模通信模块，如Telit的LE910C1/C4，支持LTE和Wi-Fi，确保机器人与控制中心之间有稳定的连接。为保证数据在传输过程中的安全，机器人还集成了Atmel的ATSHA204A加密模块，提供硬件级的安全加密，有效防止数据被窃取或篡改。9.3驱动与动力系统驱动与动力系统也是机器人性能的关键。机器人使用的Maxon的EC系列高扭矩无刷直流电机（BLDC），具备精确的速度和位置控制功能，可以在不牺牲效率的情况下提供高达200瓦的连续输出功率。此外，为了应对重载作业，机器人还配备了高性能液压系统，包括高效率的液压泵和多路阀，这些都是为了确保机械臂和其他动作执行部件可以平滑且精确地操作。9.4中央处理单元与存储在中央处理单元与存储方面，机器人使用了至少四核的ARMCortex-A系列处理器，如NVIDIAJetsonNano，这种处理器不仅处理速度快，而且能够有效地执行复杂的数据处理和机器学习任务。数据存储使用的是至少512GB的NVMeSSD，如Samsung970EVOPlus，确保数据的快速访问和安全存储，便于系统的长期运行和维护。10性能要求10.1载重能力最小载重能力5吨，最大载重能力可达20吨，适应大规模牧场的需求。10.2操作速度基于载重量自动调整速度，最高速度不超过5km/h，确保安全。10.3精确度堆放精度误差控制在±5cm以内，通过高精度传感器实现精准定位。11安全要求11.1设备配备多个紧急停止按钮，易于访问。11.2应围绕物理安全、网络安全、主机安全、应用安全、数据安全等方面构建安全体系。配备多方位的障碍物检测传感器，自动停机以防撞击。11.3应具有数据加密、系统用户认证、访问权限控制等安全防护，安全可靠稳定运行。设备操作前必须进行用户身份验证，防止未授权使用。11.4应支持对用户访问控制权限分级、对用户访问权限进行标识和管理。811.5应具有完整的用户操作日志记录功能，且日志不可随意更改。12运维要求12.1运行维护应符合运行维护的通用要求。设计为模块化，易于更换部件和进行日常维护。12.2建设方应制定系统培训计划，确保参与者具备实施和应用能力。提供在线和现场培训，确保操作人员能够熟练掌握设备使用方法。12.3建设方和参与方应对平台运行情况进行实时监控，制定完备的应急处理预案，并严格执行。12.4运维方应对网络、硬件、数据库、系统应用等方面运行问题及时定位，并按照运维职责实时处理。提供24小时技术支持，确保快速响应和问题解决。13总体要求本标准适用于大型养殖场环境下的牧场推料机器人系统，是基于自动化技术的牧场环境下堆料操作机器人的基本规范。系统应具备一个用户友好的交互平台，通过实时数据展示，使管理人员能够监控机器人状态，进行故障诊断，并在操作过程中对异常行为发出安全警告。机器人的启动和自检机制必须能够确保机器在无故障状态下运行，并且具备适当的负载荷载能力。管理人员需通过控制端明确指定堆料任务的详细要求，包括饲料类型、密度、质量、数量及目标地点等。控制端应利用5G/GPRS等现代通信技术，安全地加密传输任务数据至机器人。机器人在自动导航或人工远程操控下，应能进行路径优化和自动避障，精准导航至目标堆料区。到达目标区域后，机器人需要对任务进行再次确认，确保任务的准确性。任务执行过程中，机器人应监控堆料的高度、精度和稳定性，以满足特定的装载或卸载饲