5G通信技术在无人驾驶农机中应用

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摘要：为了有效提升无人驾驶农机作业的智能性、可靠性、高效性和安全性，加快推进5g通信技术在无人驾驶农机领域中的应用很有必要。课题组在介绍5G通信技术和无人驾驶农机发展现状的基础上，对无人驾驶农机中的5G关键技术应用进行了分析，为研究基于5G通信技术的多种无人驾驶农机自主协同作业系统奠定了理论基础。研究结果表明：通过5G通信技术和大数据对无人驾驶农机的技术支撑，可以进一步推动智能农机装备制造产业升级，为未来智慧农业奠定基础，引领带动我国智能农机装备产业高质量发展；可以助力实现精准农业，为发展我国农业数字化和早日实现乡村振兴作出贡献。

关键词：5G；无人驾驶农机；精准农业；农业数字化；乡村振兴

智能农机装备是转变农业发展方式、提高农村生产力的重要基础，是实施乡村振兴战略的重要支撑。近年来，随着物联网、大数据、云计算、人工智能、区块链、北斗导航、5G等新技术的快速发展，传统农机已经开始向无人驾驶农机方向发展。无人驾驶农机主要通过计算机、无线通信、导航、人工智能等技术，实现自主行驶作业，如无线通信中的5G通信技术可以配合北斗导航卫星定位系统实现无人驾驶农机的精确定位，定位精度可以达到厘米级别。目前，无人驾驶农机已经成为我国智能农机装备的重要发展方向，也是我国农业未来的发展趋势，同时，无人驾驶农机也为智慧农业奠定了重要基础，符合国家未来农业发展的战略需求，是加快我国农业现代化发展的必经之路。

15G通信技术概述

5G即第五代移动通信技术，它是由4G发展而来的，与4G通信技术相比较，5G通信技术在连接速率、密度和时延方面都有很大提升，它是实现人、机、物互联的网络基础设施[1]。关于5G的应用场景，可以分为海量机器类通信、增强移动宽带和超高可靠低时延通信三个方面：海量机器类通信主要应用于环境监测、智慧城市、智能家居等以数据采集和传感为目标的领域；增强移动宽带主要应用于移动互联网流量爆炸式增长，给用户提供极致的使用体验；超高可靠低时延通信主要应用于无人驾驶、远程医疗、工业控制等对时延、可靠性和安全性要求很高的垂直行业领域[2]。2020年6月，第三代合作伙伴计划（3GPP）发布了Release-16版本5G标准，重点支持超高可靠低时延通信场景，实现工业互联网、5G车联网、远程医疗等应用的支持，这也会促进无人驾驶农机技术的快速发展。目前，全球各国正在加快对5G产业的布局，而中国是全球5G技术的领跑者。2021年，我国已建成5G基站115万个，是全球规模最大、技术最先进的5G独立组网网络，力争2025年要建成国际领先的移动通信网络，最终5G技术将会应用到全球经济社会的各行各业，成为支撑全球经济社会数字化、网络化、智能化发展的重要新型基础设施。

2无人驾驶农机的发展现状

2.1国外发展现状

国际上已经把无人驾驶农机作为智能农业装备研究的热点之一。20世纪90年代，无人驾驶农机在美国、日本、欧洲等发达国家和地区随着GPS导航技术而兴起，已经历了二三十年的发展历程。2013年，美国ATC公司研发了第一款无人驾驶拖拉机Spirit，如图1所示。目前，ATC公司专注开发纯电气化的农业喷洒自走车。2015年，法国Carré公司就推出了第一代Anatis植保农机，如图2所示，该农机主要用于露天农田与大棚农田的锄地除草任务。2016年，俄罗斯的Avrora Robotics公司开发了首款Agrobot无人驾驶农机，如图3所示，该无人驾驶农机被用于种植、播种、植保和运输。2017年，日本久保田与东京光学机械和堪萨斯州大学联合研发了第一款无人驾驶农机“M7”系，如图4所示，该农机目前已经被应用在稻米播种作业中[3]。上述无人驾驶农机主要是借助RTK基站完成无人驾驶农机的定位和导航。RTK是一种实时动态载波相位差分技术，RTK基站利用数据链能够实时地把载波相位观测值和测站坐标信息传送给周围作业的农机，农机可以根据接收到基准站和卫星的载波信号实时差分消除部分误差来提高定位精度[4]。无人驾驶农机主要由农机车载系统和RTK基站系统组成，包括RTK基站接收机、车载接收机、转向传感器、控制器、后台服务器等。

2.2国内发展现状

随着我国北斗导航技术的兴起，我国的无人驾驶农机也得到了快速发展。商业的无人驾驶农机由国内科研院所和国内一流农机制造企业开始牵头研制并逐步市场化，国产农机主要通过北斗导航系统实现农机的无人驾驶。2015年，中联重科开发了首款无人驾驶拖拉机，如图5所示，该拖拉机搭载的北斗导航自动驾驶系统，可通过北斗基准站和拖拉机车顶安装的卫星定位组件，接收实时、高精度的车辆当前位置、速度等信息数据，并通过驾驶室内的控制器组件进行合理的转向调整，最终实现自动控制。2018年，中国一拖开发了无人驾驶拖拉机“东方红LF1104S-C型”，如图6所示，该拖拉机可以实现自动路径规划及导航、自动换向和刹车、自动避障和远程控制等功能。2019年，丰疆智能开发了国内首款无人驾驶智能插秧机，如图7所示，该插秧机不仅可以自动规划作业路径，还可以自动避障，同时，可以解决传统农机因行驶路线不精准而影响农业收成的问题。2020年，清华大学天津高端装备研究院与国家农机装备创新中心共同开发了国内首台5G+氢燃料无人驾驶拖拉机，如图8所示，该拖拉机可以利用5G通信技术进行远程控制，可以实时感知拖拉机运行状态和周边作业环境，进行精确的工作[5]。以上这些智能农机装备，代表了国内农机装备智能化的先进水平。未来随着5G的全面覆盖推广，通过5G的技术优势，可以实现无人驾驶农机技术的进一步发展。

3无人驾驶农机中的5G关键技术应用

3.1 “5G+北斗”融合定位技术

5G通信技术与北斗导航系统的融合，能够相互赋能，彼此增强。北斗卫星导航系统与地基增强系统所形成的高精度定位能力虽然能够覆盖较广的区域，但是仍存在因局域遮挡而导致的局部定位盲点区域。5G通信网络的覆盖技术优势可以很好地对北斗导航高精度定位服务的盲点进行有效补充，而且可以全面覆盖北斗卫星导航信号无法到达的室内区域，因而5G与北斗在定位服务上的融合就显得相得益彰、相辅相成[6]。5G通信技术与北斗导航系统的融合，可以有效地提高无人驾驶农机中北斗导航系统的定位精度，提高定位精度可以有效减少无人驾驶农机在进行自主作业时出现的漏播、重播现象，同时，可以确保无人驾驶农机按照规划路径作业。2020年，中国移动建成并发布了全球最大规模的5G+北斗导航高精度定位系统，能够为多种高精度应用场景提供解决方案，无人驾驶农机应用就是其中之一[7]。因此，利用5G与北斗导航融合定位技术，可以更好地实现农机的无人驾驶，推动我国智能农机装备的快速发展。

3.2 5G大带宽、低延时技术

5G大带宽、低延时技术在无人驾驶农机领域中的应用非常广泛。在农机与远程监控平台通信应用方面，5G大带宽、低延时技术可以实现无人驾驶农机与远程监控平台间的远程通信，可以把无人驾驶农机的信息状态上传到远程监控平台，通过大数据分析可以实现农机维修保养、农业数据实时收集、农作物生产收获等全流程化、全生命周期的管理。在多农机协同作业通信应用方面，为了实现多个无人驾驶农机之间信息交互及协同作业，需要确保各无人驾驶农机相互之间可以实时进行通信，5G大带宽、低延时技术能够有效地实现各无人驾驶农机之间的互联，构成网状拓扑结构，提高农机之间状态信息的准确性，从而提高了多机协同作业的效率和可靠性[8]。在车载视觉传感应用方面，利用5G所具备的低延时技术优势，无人驾驶农机搭载的高清摄像头能够对田间农作物进行高分辨率拍照以及摄像，然后把拍摄的农作物数据利用5G通信网络快速地上传到远程监控平台，利用基于人工智能和大数据的图像识别和视频识别技术，对农作物成熟度、病虫害等情况进行快速分析[9]。目前，传统卫星导航的无人驾驶农机中还没有应用农作物成熟度识别、病虫害识别等功能，这些功能需要由车载驾驶员辅助车载系统完成。未来随着5G技术的快速发展，5G将会应用到智能农机装备中的更多领域。

4结语

课题组系统地阐述了5G通信技术和无人驾驶农机的发展现状，并重点分析了5G通信技术在无人驾驶农机领域中的应用。目前，全国已经出现多个“5G+智慧农机”示范应用场景，如上海市崇明区打造的国内首个“5G+智慧农机”示范应用场景，该“5G+智慧农机”示范应用场景是上海市崇明区结合现代农业生产实际，对5G通信技术在农业领域应用的全新探索[10]。未来随着5G通信技术的快速发展，通过5G通信技术和大数据对无人驾驶农机的技术支撑，可以更好地实现农机无人驾驶，进一步推动智能农机装备制造业产业升级，为未来智慧农业奠定基础，引领带动我国智能农机装备产业高质量发展。同时，可以加快我国在智能农机装备方面追赶和超越发达国家的速度。

作者:常君瑞 马斌 畅国芳 单位:河套学院机电工程系