5G通信技術在無人駕駛農機中應用
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摘要：為了有效提升無人駕駛農機作業的智能性、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機發展現狀的基礎上，對無人駕駛農機中的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機自主協同作業系統奠定了理論基礎。研究結果表明：通過5G通信技術和大數據對無人駕駛農機的技術支撐，可以進一步推動智能農機裝備制造產業升級，為未來智慧農業奠定基礎，引領帶動我國智能農機裝備產業高質量發展；可以助力實現精準農業，為發展我國農業數字化和早日實現鄉村振興作出貢獻。
關鍵詞：5G；無人駕駛農機；精準農業；農業數字化；鄉村振興
智能農機裝備是轉變農業發展方式、提高農村生產力的重要基礎，是實施鄉村振興戰略的重要支撐。近年來，隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、北斗導航、5G等新技術的快速發展，傳統農機已經開始向無人駕駛農機方向發展。無人駕駛農機主要通過計算機、無線通信、導航、人工智能等技術，實現自主行駛作業，如無線通信中的5G通信技術可以配合北斗導航衛星定位系統實現無人駕駛農機的精確定位，定位精度可以達到厘米級別。目前，無人駕駛農機已經成為我國智能農機裝備的重要發展方向，也是我國農業未來的發展趨勢，同時，無人駕駛農機也為智慧農業奠定了重要基礎，符合國家未來農業發展的戰略需求，是加快我國農業現代化發展的必經之路。
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，它是實現人、機、物互聯的網絡基礎設施[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境監測、智慧城市、智能家居等以數據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網流量爆炸式增長，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、遠程醫療、工業控制等對時延、可靠性和安全性要求很高的垂直行業領域[2]。2020年6月，第三代合作伙伴計劃（3GPP）發布了Release-16版本5G標準，重點支持超高可靠低時延通信場景，實現工業互聯網、5G車聯網、遠程醫療等應用的支持，這也會促進無人駕駛農機技術的快速發展。目前，全球各國正在加快對5G產業的布局，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，是全球規模最大、技術最先進的5G獨立組網網絡，力爭2025年要建成國際領先的移動通信網絡，最終5G技術將會應用到全球經濟社會的各行各業，成為支撐全球經濟社會數字化、網絡化、智能化發展的重要新型基礎設施。
2無人駕駛農機的發展現狀
2.1國外發展現狀
國際上已經把無人駕駛農機作為智能農業裝備研究的熱點之一。20世紀90年代，無人駕駛農機在美國、日本、歐洲等發達國家和地區隨著GPS導航技術而興起，已經歷了二三十年的發展歷程。2013年，美國ATC公司研發了第一款無人駕駛拖拉機Spirit，如圖1所示。目前，ATC公司專注開發純電氣化的農業噴灑自走車。2015年，法國Carré公司就推出了第一代Anatis植保農機，如圖2所示，該農機主要用于露天農田與大棚農田的鋤地除草任務。2016年，俄羅斯的Avrora Robotics公司開發了首款Agrobot無人駕駛農機，如圖3所示，該無人駕駛農機被用于種植、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合研發了第一款無人駕駛農機“M7”系，如圖4所示，該農機目前已經被應用在稻米播種作業中[3]。上述無人駕駛農機主要是借助RTK基站完成無人駕駛農機的定位和導航。RTK是一種實時動態載波相位差分技術，RTK基站利用數據鏈能夠實時地把載波相位觀測值和測站坐標信息傳送給周圍作業的農機，農機可以根據接收到基準站和衛星的載波信號實時差分消除部分誤差來提高定位精度[4]。無人駕駛農機主要由農機車載系統和RTK基站系統組成，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國內發展現狀
隨著我國北斗導航技術的興起，我國的無人駕駛農機也得到了快速發展。商業的無人駕駛農機由國內科研院所和國內一流農機制造企業開始牽頭研制并逐步市場化，國產農機主要通過北斗導航系統實現農機的無人駕駛。2015年，中聯重科開發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，可通過北斗基準站和拖拉機車頂安裝的衛星定位組件，接收實時、高精度的車輛當前位置、速度等信息數據，并通過駕駛室內的控制器組件進行合理的轉向調整，最終實現自動控制。2018年，中國一拖開發了無人駕駛拖拉機“東方紅LF1104S-C型”，如圖6所示，該拖拉機可以實現自動路徑規劃及導航、自動換向和剎車、自動避障和遠程控制等功能。2019年，豐疆智能開發了國內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劃作業路徑，還可以自動避障，同時，可以解決傳統農機因行駛路線不精準而影響農業收成的問題。2020年，清華大學天津高端裝備研究院與國家農機裝備創新中心共同開發了國內首臺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和周邊作業環境，進行精確的工作[5]。以上這些智能農機裝備，代表了國內農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的技術優勢，可以實現無人駕駛農機技術的進一步發展。
3無人駕駛農機中的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的融合，能夠相互賦能，彼此增強。北斗衛星導航系統與地基增強系統所形成的高精度定位能力雖然能夠覆蓋較廣的區域，但是仍存在因局域遮擋而導致的局部定位盲點區域。5G通信網絡的覆蓋技術優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星導航信號無法到達的室內區域，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的融合，可以有效地提高無人駕駛農機中北斗導航系統的定位精度，提高定位精度可以有效減少無人駕駛農機在進行自主作業時出現的漏播、重播現象，同時，可以確保無人駕駛農機按照規劃路徑作業。2020年，中國移動建成并發布了全球最大規模的5G+北斗導航高精度定位系統，能夠為多種高精度應用場景提供解決方案，無人駕駛農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，可以更好地實現農機的無人駕駛，推動我國智能農機裝備的快速發展。
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機領域中的應用非常廣泛。在農機與遠程監控平臺通信應用方面，5G大帶寬、低延時技術可以實現無人駕駛農機與遠程監控平臺間的遠程通信，可以把無人駕駛農機的信息狀態上傳到遠程監控平臺，通過大數據分析可以實現農機維修保養、農業數據實時收集、農作物生產收獲等全流程化、全生命周期的管理。在多農機協同作業通信應用方面，為了實現多個無人駕駛農機之間信息交互及協同作業，需要確保各無人駕駛農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各無人駕駛農機之間的互聯，構成網狀拓撲結構，提高農機之間狀態信息的準確性，從而提高了多機協同作業的效率和可靠性[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勢，無人駕駛農機搭載的高清攝像頭能夠對田間農作物進行高分辨率拍照以及攝像，然后把拍攝的農作物數據利用5G通信網絡快速地上傳到遠程監控平臺，利用基于人工智能和大數據的圖像識別和視頻識別技術，對農作物成熟度、病蟲害等情況進行快速分析[9]。目前，傳統衛星導航的無人駕駛農機中還沒有應用農作物成熟度識別、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完成。未來隨著5G技術的快速發展，5G將會應用到智能農機裝備中的更多領域。
4結語
課題組系統地闡述了5G通信技術和無人駕駛農機的發展現狀，并重點分析了5G通信技術在無人駕駛農機領域中的應用。目前，全國已經出現多個“5G+智慧農機”示范應用場景，如上海市崇明區打造的國內首個“5G+智慧農機”示范應用場景，該“5G+智慧農機”示范應用場景是上海市崇明區結合現代農業生產實際，對5G通信技術在農業領域應用的全新探索[10]。未來隨著5G通信技術的快速發展，通過5G通信技術和大數據對無人駕駛農機的技術支撐，可以更好地實現農機無人駕駛，進一步推動智能農機裝備制造業產業升級，為未來智慧農業奠定基礎，引領帶動我國智能農機裝備產業高質量發展。同時，可以加快我國在智能農機裝備方面追趕和超越發達國家的速度。
作者:常君瑞 馬斌 暢國芳 單位:河套學院機電工程系