5G通信技術在無人駕駛農(nóng)機中應用
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摘要：為了有效提升無人駕駛農(nóng)機作業(yè)的智能性、可靠性、高效性和安全性，加快推進5g通信技術在無人駕駛農(nóng)機領域中的應用很有必要。課題組在介紹5G通信技術和無人駕駛農(nóng)機發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，對無人駕駛農(nóng)機中的5G關鍵技術應用進行了分析，為研究基于5G通信技術的多種無人駕駛農(nóng)機自主協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)奠定了理論基礎。研究結果表明：通過5G通信技術和大數(shù)據(jù)對無人駕駛農(nóng)機的技術支撐，可以進一步推動智能農(nóng)機裝備制造產(chǎn)業(yè)升級，為未來智慧農(nóng)業(yè)奠定基礎，引領帶動我國智能農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展；可以助力實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)，為發(fā)展我國農(nóng)業(yè)數(shù)字化和早日實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興作出貢獻。
關鍵詞：5G；無人駕駛農(nóng)機；精準農(nóng)業(yè)；農(nóng)業(yè)數(shù)字化；鄉(xiāng)村振興
智能農(nóng)機裝備是轉變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、提高農(nóng)村生產(chǎn)力的重要基礎，是實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要支撐。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、北斗導航、5G等新技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)機已經(jīng)開始向無人駕駛農(nóng)機方向發(fā)展。無人駕駛農(nóng)機主要通過計算機、無線通信、導航、人工智能等技術，實現(xiàn)自主行駛作業(yè)，如無線通信中的5G通信技術可以配合北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)無人駕駛農(nóng)機的精確定位，定位精度可以達到厘米級別。目前，無人駕駛農(nóng)機已經(jīng)成為我國智能農(nóng)機裝備的重要發(fā)展方向，也是我國農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展趨勢，同時，無人駕駛農(nóng)機也為智慧農(nóng)業(yè)奠定了重要基礎，符合國家未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，是加快我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必經(jīng)之路。
15G通信技術概述
5G即第五代移動通信技術，它是由4G發(fā)展而來的，與4G通信技術相比較，5G通信技術在連接速率、密度和時延方面都有很大提升，它是實現(xiàn)人、機、物互聯(lián)的網(wǎng)絡基礎設施[1]。關于5G的應用場景，可以分為海量機器類通信、增強移動寬帶和超高可靠低時延通信三個方面：海量機器類通信主要應用于環(huán)境監(jiān)測、智慧城市、智能家居等以數(shù)據(jù)采集和傳感為目標的領域；增強移動寬帶主要應用于移動互聯(lián)網(wǎng)流量爆炸式增長，給用戶提供極致的使用體驗；超高可靠低時延通信主要應用于無人駕駛、遠程醫(yī)療、工業(yè)控制等對時延、可靠性和安全性要求很高的垂直行業(yè)領域[2]。2020年6月，第三代合作伙伴計劃（3GPP）發(fā)布了Release-16版本5G標準，重點支持超高可靠低時延通信場景，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療等應用的支持，這也會促進無人駕駛農(nóng)機技術的快速發(fā)展。目前，全球各國正在加快對5G產(chǎn)業(yè)的布局，而中國是全球5G技術的領跑者。2021年，我國已建成5G基站115萬個，是全球規(guī)模最大、技術最先進的5G獨立組網(wǎng)網(wǎng)絡，力爭2025年要建成國際領先的移動通信網(wǎng)絡，最終5G技術將會應用到全球經(jīng)濟社會的各行各業(yè)，成為支撐全球經(jīng)濟社會數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展的重要新型基礎設施。
2無人駕駛農(nóng)機的發(fā)展現(xiàn)狀
2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀
國際上已經(jīng)把無人駕駛農(nóng)機作為智能農(nóng)業(yè)裝備研究的熱點之一。20世紀90年代，無人駕駛農(nóng)機在美國、日本、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)隨著GPS導航技術而興起，已經(jīng)歷了二三十年的發(fā)展歷程。2013年，美國ATC公司研發(fā)了第一款無人駕駛拖拉機Spirit，如圖1所示。目前，ATC公司專注開發(fā)純電氣化的農(nóng)業(yè)噴灑自走車。2015年，法國Carré公司就推出了第一代Anatis植保農(nóng)機，如圖2所示，該農(nóng)機主要用于露天農(nóng)田與大棚農(nóng)田的鋤地除草任務。2016年，俄羅斯的Avrora Robotics公司開發(fā)了首款Agrobot無人駕駛農(nóng)機，如圖3所示，該無人駕駛農(nóng)機被用于種植、播種、植保和運輸。2017年，日本久保田與東京光學機械和堪薩斯州大學聯(lián)合研發(fā)了第一款無人駕駛農(nóng)機“M7”系，如圖4所示，該農(nóng)機目前已經(jīng)被應用在稻米播種作業(yè)中[3]。上述無人駕駛農(nóng)機主要是借助RTK基站完成無人駕駛農(nóng)機的定位和導航。RTK是一種實時動態(tài)載波相位差分技術，RTK基站利用數(shù)據(jù)鏈能夠?qū)崟r地把載波相位觀測值和測站坐標信息傳送給周圍作業(yè)的農(nóng)機，農(nóng)機可以根據(jù)接收到基準站和衛(wèi)星的載波信號實時差分消除部分誤差來提高定位精度[4]。無人駕駛農(nóng)機主要由農(nóng)機車載系統(tǒng)和RTK基站系統(tǒng)組成，包括RTK基站接收機、車載接收機、轉向傳感器、控制器、后臺服務器等。
2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著我國北斗導航技術的興起，我國的無人駕駛農(nóng)機也得到了快速發(fā)展。商業(yè)的無人駕駛農(nóng)機由國內(nèi)科研院所和國內(nèi)一流農(nóng)機制造企業(yè)開始牽頭研制并逐步市場化，國產(chǎn)農(nóng)機主要通過北斗導航系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)機的無人駕駛。2015年，中聯(lián)重科開發(fā)了首款無人駕駛拖拉機，如圖5所示，該拖拉機搭載的北斗導航自動駕駛系統(tǒng)，可通過北斗基準站和拖拉機車頂安裝的衛(wèi)星定位組件，接收實時、高精度的車輛當前位置、速度等信息數(shù)據(jù)，并通過駕駛室內(nèi)的控制器組件進行合理的轉向調(diào)整，最終實現(xiàn)自動控制。2018年，中國一拖開發(fā)了無人駕駛拖拉機“東方紅LF1104S-C型”，如圖6所示，該拖拉機可以實現(xiàn)自動路徑規(guī)劃及導航、自動換向和剎車、自動避障和遠程控制等功能。2019年，豐疆智能開發(fā)了國內(nèi)首款無人駕駛智能插秧機，如圖7所示，該插秧機不僅可以自動規(guī)劃作業(yè)路徑，還可以自動避障，同時，可以解決傳統(tǒng)農(nóng)機因行駛路線不精準而影響農(nóng)業(yè)收成的問題。2020年，清華大學天津高端裝備研究院與國家農(nóng)機裝備創(chuàng)新中心共同開發(fā)了國內(nèi)首臺5G+氫燃料無人駕駛拖拉機，如圖8所示，該拖拉機可以利用5G通信技術進行遠程控制，可以實時感知拖拉機運行狀態(tài)和周邊作業(yè)環(huán)境，進行精確的工作[5]。以上這些智能農(nóng)機裝備，代表了國內(nèi)農(nóng)機裝備智能化的先進水平。未來隨著5G的全面覆蓋推廣，通過5G的技術優(yōu)勢，可以實現(xiàn)無人駕駛農(nóng)機技術的進一步發(fā)展。
3無人駕駛農(nóng)機中的5G關鍵技術應用
3.1 “5G+北斗”融合定位技術
5G通信技術與北斗導航系統(tǒng)的融合，能夠相互賦能，彼此增強。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與地基增強系統(tǒng)所形成的高精度定位能力雖然能夠覆蓋較廣的區(qū)域，但是仍存在因局域遮擋而導致的局部定位盲點區(qū)域。5G通信網(wǎng)絡的覆蓋技術優(yōu)勢可以很好地對北斗導航高精度定位服務的盲點進行有效補充，而且可以全面覆蓋北斗衛(wèi)星導航信號無法到達的室內(nèi)區(qū)域，因而5G與北斗在定位服務上的融合就顯得相得益彰、相輔相成[6]。5G通信技術與北斗導航系統(tǒng)的融合，可以有效地提高無人駕駛農(nóng)機中北斗導航系統(tǒng)的定位精度，提高定位精度可以有效減少無人駕駛農(nóng)機在進行自主作業(yè)時出現(xiàn)的漏播、重播現(xiàn)象，同時，可以確保無人駕駛農(nóng)機按照規(guī)劃路徑作業(yè)。2020年，中國移動建成并發(fā)布了全球最大規(guī)模的5G+北斗導航高精度定位系統(tǒng)，能夠為多種高精度應用場景提供解決方案，無人駕駛農(nóng)機應用就是其中之一[7]。因此，利用5G與北斗導航融合定位技術，可以更好地實現(xiàn)農(nóng)機的無人駕駛，推動我國智能農(nóng)機裝備的快速發(fā)展。
3.2 5G大帶寬、低延時技術
5G大帶寬、低延時技術在無人駕駛農(nóng)機領域中的應用非常廣泛。在農(nóng)機與遠程監(jiān)控平臺通信應用方面，5G大帶寬、低延時技術可以實現(xiàn)無人駕駛農(nóng)機與遠程監(jiān)控平臺間的遠程通信，可以把無人駕駛農(nóng)機的信息狀態(tài)上傳到遠程監(jiān)控平臺，通過大數(shù)據(jù)分析可以實現(xiàn)農(nóng)機維修保養(yǎng)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)實時收集、農(nóng)作物生產(chǎn)收獲等全流程化、全生命周期的管理。在多農(nóng)機協(xié)同作業(yè)通信應用方面，為了實現(xiàn)多個無人駕駛農(nóng)機之間信息交互及協(xié)同作業(yè)，需要確保各無人駕駛農(nóng)機相互之間可以實時進行通信，5G大帶寬、低延時技術能夠有效地實現(xiàn)各無人駕駛農(nóng)機之間的互聯(lián)，構成網(wǎng)狀拓撲結構，提高農(nóng)機之間狀態(tài)信息的準確性，從而提高了多機協(xié)同作業(yè)的效率和可靠性[8]。在車載視覺傳感應用方面，利用5G所具備的低延時技術優(yōu)勢，無人駕駛農(nóng)機搭載的高清攝像頭能夠?qū)μ镩g農(nóng)作物進行高分辨率拍照以及攝像，然后把拍攝的農(nóng)作物數(shù)據(jù)利用5G通信網(wǎng)絡快速地上傳到遠程監(jiān)控平臺，利用基于人工智能和大數(shù)據(jù)的圖像識別和視頻識別技術，對農(nóng)作物成熟度、病蟲害等情況進行快速分析[9]。目前，傳統(tǒng)衛(wèi)星導航的無人駕駛農(nóng)機中還沒有應用農(nóng)作物成熟度識別、病蟲害識別等功能，這些功能需要由車載駕駛員輔助車載系統(tǒng)完成。未來隨著5G技術的快速發(fā)展，5G將會應用到智能農(nóng)機裝備中的更多領域。
4結語
課題組系統(tǒng)地闡述了5G通信技術和無人駕駛農(nóng)機的發(fā)展現(xiàn)狀，并重點分析了5G通信技術在無人駕駛農(nóng)機領域中的應用。目前，全國已經(jīng)出現(xiàn)多個“5G+智慧農(nóng)機”示范應用場景，如上海市崇明區(qū)打造的國內(nèi)首個“5G+智慧農(nóng)機”示范應用場景，該“5G+智慧農(nóng)機”示范應用場景是上海市崇明區(qū)結合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，對5G通信技術在農(nóng)業(yè)領域應用的全新探索[10]。未來隨著5G通信技術的快速發(fā)展，通過5G通信技術和大數(shù)據(jù)對無人駕駛農(nóng)機的技術支撐，可以更好地實現(xiàn)農(nóng)機無人駕駛，進一步推動智能農(nóng)機裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，為未來智慧農(nóng)業(yè)奠定基礎，引領帶動我國智能農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。同時，可以加快我國在智能農(nóng)機裝備方面追趕和超越發(fā)達國家的速度。
作者:常君瑞 馬斌 暢國芳 單位:河套學院機電工程系