【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于智慧畜牧业领域，具体涉及一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统及其数字孪生方法。
技术介绍
1、数字孪生技术通常被描述为由一个物理实体、一个虚拟对等体和其中的数据连接组成，越来越多的人探索它作为一种手段，从而通过利用计算技术来提高物理实体的性能，而这些计算必须通过虚拟对等体来实现。数字模型是物理对象的数字表示，不使用物理对象和数字对象之间的任何形式的自动数据交换。数字影子是指在现有物理对象的状态和数字对象之间存在自动的单向数据流。数字孪生指物理对象和数字对象之间的数据流在两个方向上完全集成。数字孪生能让智慧农业理念在畜牧业得以实现，未来的牧场将基于人工智能分析操纵的实时数据，从而推动更好的商业决策，改善动物健康和福利，并实现农业资源回报最大化(verdouw et al.,2021)。当前，农业中的数字孪生可以处理诸如复杂系统个性化管理、简化工作、信息融合、量化不确定性、方便权限控制等，但数字孪生在农业中的应用还比较少(pylianidis et al.,2021)。
2、精准畜牧业被认为是畜牧业数字孪生的先驱(neethirajan&kemp,2021)，以往的很多研究都把焦点放到了奶牛行为的特征的识别上，因为行为特征是能很好的反映奶牛生产性能、健康状态和福利情况，其中，采食行为被认为是奶牛冷应激下的主要行为反应，当外界环境过冷，奶牛会自动调节增加干物质采食量以增加自身的产热，维持机体热平衡(mader et al.,2011)。早期，工作人员常采用观察或视频记录分析的方式评
3、在过去的20年里，传感器、网络、云计算和人工智能技术的发展，让信息采集和分析更有效率，从而使精确畜牧业(plf)得到了快速的发展现有技术多是探索奶牛行为特征识别的单一方面，缺少综合研究和通用方法。
4、目前，奶牛养殖业正朝着规模化、集约化、标准化的方向发展，为了让奶牛养殖过程更加可控，使用数字孪生相关技术全面感知和存储奶牛综合生理指标数据(purcell&neubauer,2023)，实现多种数据的全面建模，从而构建虚拟奶牛，使农场主可以在不干扰实际奶牛的情况下，利用虚拟奶牛模拟实际奶牛的行为和状态，从而进行疾病预测、饲养管理和健康评估等方面的决策，可以达到减少奶牛应激，提高管理水平和动物福利的目的。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统及其数字孪生方法，用以实现精准识别和监测奶牛的行为，构建数字影子，从而为畜牧业提供全新的养殖管理方案。
2、本专利技术提供一种基于超宽带的锚点，应用于基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统。
3、本专利技术提供一种基于超宽带与惯性测量单元的项圈，应用于基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统。
4、本专利技术通过以下技术方案实现：
5、一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统，所述数字孪生系统包括项圈1，所述项圈1佩戴在牛颈上，在牛舍的侧墙一端上方设置多个摄像头7，在牛舍的侧墙设置多个锚点2，牛舍的侧墙设置串口服务器4，所述串口服务器4通过双绞线5与牧场服务器6相连接，所述牧场服务器6通过无线网络将实时数据传输至客户端；
6、所述项圈1，用于实时采集奶牛的运动特征；
7、所述牧场服务器6，负责接收、处理和存储行为特征数据与定位信标数据，同时基于数据计算奶牛的实时位置和行为状态；
8、所述牧场服务器6内的机器学习单元，对采集到的行为特征数据与定位信标数据进行分析和分类；
9、所述客户端，实时显示所监测的奶牛位置和奶牛的行为状态。
10、进一步的，所述项圈1包括超宽带室内定位电路及惯性测量单元；
11、所述超宽带室内定位电路，用于实时定位奶牛的位置；
12、所述惯性测量单元，用于采集奶牛的加速度和角速度数据，提供关键的运动特征。
13、进一步的，所述锚点2包括超宽带室内定位电路、stm32芯片和rs422通信模块组，
14、所述stm32芯片，用于进行初步绝对时间差计算；
15、所述超宽带定位电路，用于配合项圈(1)使用实时定位奶牛的位置；
16、所述rs422通信模块组，用于将锚点2的超宽带室内定位电路采集的数据进行发送，并接收上位机的数据。
17、一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生方法，所述数字孪生方法使用如权利要求1-3任一所述基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统；所述数字孪生方法具体包括以下步骤：
18、步骤1：项圈1实时采集实时奶牛各项数据并向锚点2发送；
19、步骤2：锚点2接收惯性测量单元数据与定位信标并计算信标到达每个基站的绝对时间差；
20、步骤3：串口服务器4将锚点2计算的绝对时间差差与锚点2接收的各项数据均通过双绞线5向牧场服务器6发送；
21、步骤4：牧场服务器6接收所有数据并完成存储和对奶牛的不同行为进行识别；
22、步骤5：将步骤4的识别结果通过无线网络传输至服务器的数据库中；再从服务器的数据库奶牛的行为状态发送至客户端。
23、进一步的，所述步骤4具体为，
24、步骤4.1：对接受的数据进行预处理；
25、步骤4.2：对步骤4.1预处理后的数据分为训练集与测试集；
26、步骤4.3：建立牛行为分类识别模型；
27、步骤4.4：基于步骤4.3建立的牛行为分类模型使用步骤4.2的训练集进行训练；
28、步骤4.5：对步骤4.4的训练后的牛行为分类识别模型基于性能指标采用测试集进行测试；
29、步骤4.6：基于步骤4.5的测试结果使用牛行为分类识别模型对奶牛的不同行为进行识别。
30、进一步的，所述步骤4.1具体为，定位信标数据和惯性测量单元的数据使用精确到毫秒的时间进行对齐；
31、对于收集到的运动传感器的所有数据，进行了最大值归一化处理，将所有的数据除以该列最大值得到一个[0,1]范围的新值。
32、进一步的，所述步骤4.3牛行为分类识别模型具体为，使用的lstm网络结构包括10个隐藏层，每层有10节点，sequence length值和time steps值均为12，当输出结果的预测概率大于等于0.5时，将视结果为1，小于0.5时视为0。
33、进一步的，所述步骤4.5的性能指标具体为，准确率、查准率、召回率、特异性、f1分数系数，评价各种算法对奶牛多种行为的分类效果，
34、
35、
36、
37、
38、
39、以上五个公式中，tp、tn、fp、fn具体含义如下：本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生系统包括项圈(1)，所述项圈(1)佩戴在牛颈上，在牛舍的侧墙一端上方设置多个摄像头(7)，在牛舍的侧墙设置多个锚点(2){两侧锚点2是对应设置的，保证任意四个锚点可以构成矩形}，牛舍的侧墙设置串口服务器(4)，所述串口服务器(4)通过双绞线(5)与牧场服务器(6)相连接，所述牧场服务器(6)通过无线网络将实时数据传输至客户端；
2.根据权利要求1所述一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统，其特征在于，所述项圈(1)包括超宽带室内定位电路及惯性测量单元；
3.根据权利要求1所述一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统，其特征在于，所述锚点(2)包括超宽带室内定位电路、STM32芯片和RS422通信模块组，
4.一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生方法，其特征在于，所述数字孪生方法使用如权利要求1-3任一所述基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统；所述数字孪生方法具体包括以下步骤：
5.根
6.根据权利要求5所述一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生方法，其特征在于，所述步骤4.1具体为，定位信标数据和惯性测量单元的数据使用精确到毫秒的时间进行对齐；
7.根据权利要求5所述一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生方法，其特征在于，所述步骤4.3牛行为分类识别模型具体为，使用的LSTM网络结构包括10个隐藏层，每层有10节点，Sequence length值和Time steps值均为12，当输出结果的预测概率大于等于0.5时，将视结果为1，小于0.5时视为0。
8.根据权利要求5所述一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生方法，其特征在于，所述步骤4.5的性能指标具体为，准确率、查准率、召回率、特异性、F1分数系数，评价各种算法对奶牛多种行为的分类效果，
9.一种基于超宽带的锚点，其特征在于，所述锚点(2)应用于基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统。
10.一种基于超宽带与惯性测量单元的项圈，其特征在于，所述项圈应用于基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统。
...【技术特征摘要】
1.一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生系统包括项圈(1)，所述项圈(1)佩戴在牛颈上，在牛舍的侧墙一端上方设置多个摄像头(7)，在牛舍的侧墙设置多个锚点(2){两侧锚点2是对应设置的，保证任意四个锚点可以构成矩形}，牛舍的侧墙设置串口服务器(4)，所述串口服务器(4)通过双绞线(5)与牧场服务器(6)相连接，所述牧场服务器(6)通过无线网络将实时数据传输至客户端；
2.根据权利要求1所述一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统，其特征在于，所述项圈(1)包括超宽带室内定位电路及惯性测量单元；
3.根据权利要求1所述一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统，其特征在于，所述锚点(2)包括超宽带室内定位电路、stm32芯片和rs422通信模块组，
4.一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生方法，其特征在于，所述数字孪生方法使用如权利要求1-3任一所述基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数字孪生系统；所述数字孪生方法具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述一种基于超宽带与惯性测量单元的奶牛行为识别的数...
【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，沈维政，张翼，高萌，严士超，尹艳玲，寇胜利，刘慧环，赵凯旋，熊本海，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：
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