5G通信技術(shù)在無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用研究*

常君瑞 ， 馬斌暢 ， 國(guó) 芳

（1.河套學(xué)院機(jī)電工程系，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000；2.河套學(xué)院自動(dòng)化研究與應(yīng)用中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

智能農(nóng)機(jī)裝備是轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、提高農(nóng)村生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)，是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要支撐。近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈、北斗導(dǎo)航、5G等新技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)已經(jīng)開(kāi)始向無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)方向發(fā)展。無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)主要通過(guò)計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信、導(dǎo)航、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主行駛作業(yè)，如無(wú)線通信中的5G通信技術(shù)可以配合北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)的精確定位，定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)別。目前，無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)已經(jīng)成為我國(guó)智能農(nóng)機(jī)裝備的重要發(fā)展方向，也是我國(guó)農(nóng)業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)，無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)也為智慧農(nóng)業(yè)奠定了重要基礎(chǔ)，符合國(guó)家未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，是加快我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必經(jīng)之路。

1 5G通信技術(shù)概述

5G即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，它是由4G發(fā)展而來(lái)的，與4G通信技術(shù)相比較，5G通信技術(shù)在連接速率、密度和時(shí)延方面都有很大提升，它是實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施[1]。關(guān)于5G的應(yīng)用場(chǎng)景，可以分為海量機(jī)器類通信、增強(qiáng)移動(dòng)寬帶和超高可靠低時(shí)延通信三個(gè)方面：海量機(jī)器類通信主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧城市、智能家居等以數(shù)據(jù)采集和傳感為目標(biāo)的領(lǐng)域；增強(qiáng)移動(dòng)寬帶主要應(yīng)用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量爆炸式增長(zhǎng)，給用戶提供極致的使用體驗(yàn)；超高可靠低時(shí)延通信主要應(yīng)用于無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)控制等對(duì)時(shí)延、可靠性和安全性要求很高的垂直行業(yè)領(lǐng)域[2]。2020年6月，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）發(fā)布了Release-16版本5G標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)支持超高可靠低時(shí)延通信場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等應(yīng)用的支持，這也會(huì)促進(jìn)無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。

目前，全球各國(guó)正在加快對(duì)5G產(chǎn)業(yè)的布局，而中國(guó)是全球5G技術(shù)的領(lǐng)跑者。2021年，我國(guó)已建成5G基站115萬(wàn)個(gè)，是全球規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的5G獨(dú)立組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，力爭(zhēng)2025年要建成國(guó)際領(lǐng)先的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，最終5G技術(shù)將會(huì)應(yīng)用到全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各行各業(yè)，成為支撐全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的重要新型基礎(chǔ)設(shè)施。

2 無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際上已經(jīng)把無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)作為智能農(nóng)業(yè)裝備研究的熱點(diǎn)之一。20世紀(jì)90年代，無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)在美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)隨著GPS導(dǎo)航技術(shù)而興起，已經(jīng)歷了二三十年的發(fā)展歷程。2013年，美國(guó)ATC公司研發(fā)了第一款無(wú)人駕駛拖拉機(jī)Spirit，如圖1所示。目前，ATC公司專注開(kāi)發(fā)純電氣化的農(nóng)業(yè)噴灑自走車。2015年，法國(guó)Carré公司就推出了第一代Anatis植保農(nóng)機(jī)，如圖2所示，該農(nóng)機(jī)主要用于露天農(nóng)田與大棚農(nóng)田的鋤地除草任務(wù)。2016年，俄羅斯的Avrora Robotics公司開(kāi)發(fā)了首款A(yù)grobot無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)，如圖3所示，該無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)被用于種植、播種、植保和運(yùn)輸。2017年，日本久保田與東京光學(xué)機(jī)械和堪薩斯州大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了第一款無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)“M7”系，如圖4所示，該農(nóng)機(jī)目前已經(jīng)被應(yīng)用在稻米播種作業(yè)中[3]。

圖1 美國(guó)ATC公司無(wú)人駕駛拖拉機(jī)

圖2 法國(guó)Carré公司植保農(nóng)機(jī)

圖3 俄羅斯Avrora Robotics農(nóng)機(jī)

圖4 日本久保田“M7”系農(nóng)機(jī)

上述無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)主要是借助RTK基站完成無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)的定位和導(dǎo)航。

RTK是一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)，RTK基站利用數(shù)據(jù)鏈能夠?qū)崟r(shí)地把載波相位觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息傳送給周圍作業(yè)的農(nóng)機(jī)，農(nóng)機(jī)可以根據(jù)接收到基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的載波信號(hào)實(shí)時(shí)差分消除部分誤差來(lái)提高定位精度[4]。無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)主要由農(nóng)機(jī)車載系統(tǒng)和RTK基站系統(tǒng)組成，包括RTK基站接收機(jī)、車載接收機(jī)、轉(zhuǎn)向傳感器、控制器、后臺(tái)服務(wù)器等。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航技術(shù)的興起，我國(guó)的無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)也得到了快速發(fā)展。商業(yè)的無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)由國(guó)內(nèi)科研院所和國(guó)內(nèi)一流農(nóng)機(jī)制造企業(yè)開(kāi)始牽頭研制并逐步市場(chǎng)化，國(guó)產(chǎn)農(nóng)機(jī)主要通過(guò)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的無(wú)人駕駛。

2015年，中聯(lián)重科開(kāi)發(fā)了首款無(wú)人駕駛拖拉機(jī)，如圖5所示，該拖拉機(jī)搭載的北斗導(dǎo)航自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，可通過(guò)北斗基準(zhǔn)站和拖拉機(jī)車頂安裝的衛(wèi)星定位組件，接收實(shí)時(shí)、高精度的車輛當(dāng)前位置、速度等信息數(shù)據(jù)，并通過(guò)駕駛室內(nèi)的控制器組件進(jìn)行合理的轉(zhuǎn)向調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。2018年，中國(guó)一拖開(kāi)發(fā)了無(wú)人駕駛拖拉機(jī)“東方紅LF1104S-C型”，如圖6所示，該拖拉機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃及導(dǎo)航、自動(dòng)換向和剎車、自動(dòng)避障和遠(yuǎn)程控制等功能。2019年，豐疆智能開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首款無(wú)人駕駛智能插秧機(jī)，如圖7所示，該插秧機(jī)不僅可以自動(dòng)規(guī)劃作業(yè)路徑，還可以自動(dòng)避障，同時(shí)，可以解決傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)因行駛路線不精準(zhǔn)而影響農(nóng)業(yè)收成的問(wèn)題。2020年，清華大學(xué)天津高端裝備研究院與國(guó)家農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新中心共同開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)5G+氫燃料無(wú)人駕駛拖拉機(jī)，如圖8所示，該拖拉機(jī)可以利用5G通信技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)時(shí)感知拖拉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和周邊作業(yè)環(huán)境，進(jìn)行精確的工作[5]。以上這些智能農(nóng)機(jī)裝備，代表了國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)裝備智能化的先進(jìn)水平。未來(lái)隨著5G的全面覆蓋推廣，通過(guò)5G的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

圖5 中聯(lián)重科無(wú)人駕駛拖拉機(jī)

圖6 中國(guó)一拖無(wú)人駕駛拖拉機(jī)

圖7 豐疆智能無(wú)人駕駛插秧機(jī)

圖8 5G+氫燃料無(wú)人駕駛拖拉機(jī)

3 無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)中的5G關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1 “5G+北斗”融合定位技術(shù)

5G通信技術(shù)與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的融合，能夠相互賦能，彼此增強(qiáng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地基增強(qiáng)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(dǎo)致的局部定位盲點(diǎn)區(qū)域。5G通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以很好地對(duì)北斗導(dǎo)航高精度定位服務(wù)的盲點(diǎn)進(jìn)行有效補(bǔ)充，而且可以全面覆蓋北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)無(wú)法到達(dá)的室內(nèi)區(qū)域，因而5G與北斗在定位服務(wù)上的融合就顯得相得益彰、相輔相成[6]。5G通信技術(shù)與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的融合，可以有效地提高無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)中北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，提高定位精度可以有效減少無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)在進(jìn)行自主作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的漏播、重播現(xiàn)象，同時(shí)，可以確保無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)按照規(guī)劃路徑作業(yè)。2020年，中國(guó)移動(dòng)建成并發(fā)布了全球最大規(guī)模的5G+北斗導(dǎo)航高精度定位系統(tǒng)，能夠?yàn)槎喾N高精度應(yīng)用場(chǎng)景提供解決方案，無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)應(yīng)用就是其中之一[7]。因此，利用5G與北斗導(dǎo)航融合定位技術(shù)，可以更好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的無(wú)人駕駛，推動(dòng)我國(guó)智能農(nóng)機(jī)裝備的快速發(fā)展。

3.2 5G大帶寬、低延時(shí)技術(shù)

5G大帶寬、低延時(shí)技術(shù)在無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。在農(nóng)機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通信應(yīng)用方面，5G大帶寬、低延時(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)間的遠(yuǎn)程通信，可以把無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)的信息狀態(tài)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)維修保養(yǎng)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(jī)協(xié)同作業(yè)通信應(yīng)用方面，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)之間信息交互及協(xié)同作業(yè)，需要確保各無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)相互之間可以實(shí)時(shí)進(jìn)行通信，5G大帶寬、低延時(shí)技術(shù)能夠有效地實(shí)現(xiàn)各無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)之間的互聯(lián)，構(gòu)成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高農(nóng)機(jī)之間狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性，從而提高了多機(jī)協(xié)同作業(yè)的效率和可靠性[8]。

在車載視覺(jué)傳感應(yīng)用方面，利用5G所具備的低延時(shí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)搭載的高清攝像頭能夠?qū)μ镩g農(nóng)作物進(jìn)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(luò)快速地上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，利用基于人工智能和大數(shù)據(jù)的圖像識(shí)別和視頻識(shí)別技術(shù)，對(duì)農(nóng)作物成熟度、病蟲(chóng)害等情況進(jìn)行快速分析[9]。目前，傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航的無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)中還沒(méi)有應(yīng)用農(nóng)作物成熟度識(shí)別、病蟲(chóng)害識(shí)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(lái)隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，5G將會(huì)應(yīng)用到智能農(nóng)機(jī)裝備中的更多領(lǐng)域。

4 結(jié)語(yǔ)

課題組系統(tǒng)地闡述了5G通信技術(shù)和無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，并重點(diǎn)分析了5G通信技術(shù)在無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用。目前，全國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)多個(gè)“5G+智慧農(nóng)機(jī)”示范應(yīng)用場(chǎng)景，如上海市崇明區(qū)打造的國(guó)內(nèi)首個(gè)“5G+智慧農(nóng)機(jī)”示范應(yīng)用場(chǎng)景，該“5G+智慧農(nóng)機(jī)”示范應(yīng)用場(chǎng)景是上海市崇明區(qū)結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)5G通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的全新探索[10]。未來(lái)隨著5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)5G通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)的技術(shù)支撐，可以更好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)無(wú)人駕駛，進(jìn)一步推動(dòng)智能農(nóng)機(jī)裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，為未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)奠定基礎(chǔ)，引領(lǐng)帶動(dòng)我國(guó)智能農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。同時(shí)，可以加快我國(guó)在智能農(nóng)機(jī)裝備方面追趕和超越發(fā)達(dá)國(guó)家的速度。