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基于5G技术的无人驾驶农机的应用及推广研究

2024-06-26 59 上传者：管理员

摘要：5G技术作为新一代通信技术在数据传输和定位导航方面有着巨大的优势，将5G通信技术应用于无人驾驶农机可以有效提升无人驾驶农机精准作业能力，提高无人驾驶农机自主作业的效率和可靠性。文章对无人驾驶农机研究现状以及5G技术在无人驾驶农机中的应用优势进行分析，为后续更多的基于5G技术的无人驾驶农机协同作业提供理论参考；对无人驾驶农机推广在投资成本、技术培养、法律法规等方面所面临的挑战进行探析，为无人驾驶农机的发展提供借鉴方向。研究结果表明，基于5G技术的无人驾驶农机的大面积推广应用，可以为实现精准农业提供助力，也将推动农机装备制造业产业升级和农机智能化发展，进而加快推进我国智慧农业发展。

关键词：
5G技术
数据传输
新一代通信技术
无人驾驶农机
精准农业
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随着科学技术的快速发展，农业智能化正逐渐成为农业领域的热点和重要趋势，也对农业机械提出了更高的要求。随着无人驾驶技术的研究逐渐深入，无人驾驶农机也逐渐实现产业化。随着物联网、大数据、人工智能、北斗导航、5G等高新技术的快速发展，技术越来越成熟的无人驾驶农机凭借其精准作业、高效作业的优势，逐步替代传统农机。基于5G技术的无人驾驶农机已经成为我国农机智能化的发展方向，是实现我国智慧无人农场的必要条件，也是加快我国农业现代化的重要支撑[1]。

1、无人驾驶农机概述

随着人工智能、终端硬件及传感器的快速发展，无人驾驶技术已成为国内外的研究热点。随着无人驾驶技术研究和实践的逐步深入，无人驾驶技术在智能农机中的应用也越来越广泛。

1.1 无人驾驶技术介绍

无人驾驶技术架构可分为感知层、规划层、控制层，如图1所示。无人驾驶车辆通过各类车载传感器，如激光雷达、组合惯导、光学摄像头、毫米波雷达等来获得周围环境的具体数据信息，采集车辆身位信息，然后将采集到的各类环境数据传送给中央处理单元，通过特定的控制算法进行车辆的速度及运动规划，最终完成自身驾驶行为决策，保障车辆按照已规划路线和速度行驶[2]。

无人驾驶车辆所涉及的技术包括自动控制技术、传感器技术、数据通信技术、导航定位技术、路径规划技术、路径跟踪技术等。就一个成熟的无人驾驶系统而言，可以实时实地将作业指令发送至后台云服务器，工作人员在移动终端或者监控平台上可以实时查看指令并将具体操作通过互联网直接传送给无人驾驶车辆终端，最终通过车辆的控制器依据收到的指令对车辆进行精准控制，实现车辆无人驾驶[3]。

图1 无人驾驶技术架构

1.2 无人驾驶农机研究现状

20世纪90年代，国内就已经开展了无人驾驶农机的研究。目前，中国农业大学、华南农业大学、国家农业信息化工程技术研究中心、中国农业机械化科学研究院等具有代表性的科研院校和机构，都在无人驾驶农机的研究中取得了不错的进展。2016年，中国一拖集团对外发布了LF954-C无人驾驶拖拉机，该农机配装东方红1LF-430液压翻转犁，同时配备了国III发动机、电控悬挂系统、动力换向变速箱等先进设备和控制系统，并进行了下地作业演示。2019年，华南农业大学联合雷沃重工推出了国内首个主从导航收获机系统，整体基于北斗导航和无线通信，实现了收获机和运粮车的自动驾驶以及粮食收获的全程自动化。自2018年开始，车载信息服务产业应用联盟(TIAA)组织了多轮农业全过程无人作业试验，并实地演示了耕种、整地和播种等作业环节。在传统插秧作业中，除需要一人操控传统插秧农机之外还需要两人对插秧作业进行辅助工作，而采用研发的无人驾驶插秧机只需要一名辅助作业人员就可以精准快速地完成插秧作业，大大减少了人力成本，也提高了作业效率[4]。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+氢燃料电动无人驾驶拖拉机，该拖拉机与云端的通信是以5G技术来实现的，得益于5G技术的优势，该农机能够实现对农业作业中设备参数状态以及周边环境数据的实时获取和分析[5]。2022年，中国农业大学信息与电气工程学院联合北京农业机械推广站研发的农用无人驾驶拖拉机在密云试验田助力合作社进行耕整地作业，该无人驾驶拖拉机不仅能实现自动规划路线、自动掉头、自动升降机具，还具有作业监测、轨迹查询等能力[6]。

2、 5G技术在无人驾驶农机中的应用优势

5G(5th-Generation)，即第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，是4G之后的延伸。相较于4G而言，5G具有高速率、宽带宽、高可靠、低时延等特征。以无线通信技术、工业互联网技术、大数据技术等为代表的新型信息技术的应用，将革新农业机械化和智能化的发展格局，5G技术在无人驾驶农机的成熟应用也将高质量推动智慧农机和智慧农业的快速发展。

2.1 5G+北斗融合定位技术，助力无人驾驶农机精准作业

在无人驾驶农机作业过程中，导航定位的精准性直接影响农机作业精度。通过5G通信技术和北斗的相互融合，利用5G通信网络的完善覆盖优势，能够充分弥补北斗卫星导航系统因存在部分遮挡而导致的定位盲点区域，就算在北斗导航信号不好的室内，基于5G和北斗的双重导航作用，也能实现精准定位[7]。5G和北斗的深度融合，提升了实时定位准确度和精确度，确保了无人驾驶农机按照规定的路径进行精准农业作业，同时大大减少了因定位信号不好而导致的无人驾驶农机播种中的漏种和错种现象。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，这为无人驾驶农机高精度应用场景提供了基础保障[8]。在精准农业作业领域，在高精度定位系统基础设施的保障下，5G+北斗融合定位技术为无人驾驶农机精准作业提供了重要支撑。

2.2 5G高速率、高可靠、低延迟技术，提升无人驾驶农机作业效率和可靠度

在数据通信方面，5G技术具有高传输速度、低时延的特点，可以确保无人驾驶农机与后台监控系统之间的实时高效通信，后台系统由此可以实时获取无人驾驶农机的具体状态信息和农业作业数据，结合大数据算法的实时分析功能，从而实现农业作业从无人播种、无人管理到无人收获全过程的无人化与全周期的无人化。在多农机协同作业方面，无人农场的农业作业往往依赖多种无人驾驶农机的协同作业，5G网络下各无人驾驶农机能够高效地互联通信，这充分保证了数据的实时性和精确性，提升了各无人驾驶农机协同作业的效率与可靠度[9]。同时，基于5G的无人驾驶农机可以充分利用其车载摄像头进行实时拍摄，5G技术数据传输的大容量、低时延特点能够确保所拍摄的农作物照片和影像被实时快速、高清精确地回传后台系统，辅助计算机图像识别技术、人工智能算法、大数据技术等，完成对农作物状态的精准分析，实现农作物病虫害监测、生长状态监测等[10]。通过融合5G技术，无人驾驶农机可以更加准确地感知和识别周围环境，做出更优的决策，大幅提升无人驾驶农机自主作业的精准性和作业效率。随着5G技术的不断发展和完善，其势必会被应用于智慧农业的更多领域，如农业作业机器人智能化种植和管理、农产品无人配送、农业数据大数据处理等。基于5G的无人驾驶农机可以为精准农业带来更高的效率、精度和智能化水平，有望推动农业现代化的发展。

3、基于5G的无人驾驶农机推广的挑战

3.1 初始投资成本较高

无人驾驶技术的引入需要进行大量的研发和制造工作，以确保农机能够安全、高效地运行。在这个过程中，需要投入大量的资金用于硬件设备的研发和生产，同时还需要进行各种测试和验证工作。这些工作不仅需要雄厚的技术实力支持，还需要持续的财力支持。但随着基础设施的完善和技术的成熟，这些成本也会逐渐降低。比如，相关部门出台支持其发展的有利政策，积极推动基于5G的无人驾驶技术产业升级，通过市场作用探索并建立合适的出资方式，为无人驾驶农机的发展提供资金支持，这些都可以为无人驾驶农机的推广提供有力的支持。

3.2 技术培养难度较大

基于5G的无人驾驶农机系新兴技术的集大成者，因此其本身的操作就具备极强的专业性，实际操作人员务必在取得相应资格证书后才可以进行操控。但是目前无人驾驶方面尚未形成完善的培训和监管制度，也缺乏专业的社会化的培训机构。农民的受教育程度普遍偏低，对于他们而言，新技术的适应本就比较困难，而且如果不经常使用的话，也容易造成技术的生疏。针对这种情况，应完善相应的培训制度和培训机制，可选择分集体培养一批专业专职无人驾驶农机操作人员，也可以因地制宜推广规模化种植作业，便于无人驾驶农机的规模化作业。

3.3 无人驾驶涉及的法律法规和道德问题

随着无人驾驶技术的发展和应用，对于其涉及的法律法规和道德问题的讨论也日益增多。首先，无人驾驶技术的应用需要符合国家和地区的交通法规和相关法律规定。比如，无人驾驶农机在农田中的行驶不能侵犯他人的土地和财产权益。其次，无人驾驶农机在操作过程中需要考虑到周围环境和其他人员的安全问题，不能对他人造成伤害；还需要思考人工智能和机器之间的责任问题，尤其是在意外事故发生时，如何界定责任和承担赔偿责任等问题。此外，无人驾驶技术的发展还需要关注数据隐私和信息安全等方面的问题，确保农机数据的安全和合法使用。而这些挑战也将促使国内无人驾驶相关管理制度及相关法律法规的完善。

4、结论

针对我国农业生产面临的劳动力短缺和老龄化等严峻挑战，智慧农业和无人农场是未来保障农业高质量发展的重要解决方案，基于5G的无人驾驶农机具有巨大的市场潜力。5G通信技术和大数据技术的不断发展和创新，可以为无人驾驶农机提供更加有力的支撑。虽然目前基于5G的无人驾驶农机在推广方面面临多重挑战，但随着技术的革新及各项政策制度的完善，基于5G的无人驾驶农机势必会得到较好的发展和较广泛的推广，从而推动农机装备制造业产业升级，并加快推进我国智慧农业发展。

参考文献:

[1]罗锡文,廖娟,胡炼,等.我国智能农机的研究进展与无人农场的实践[J].华南农业大学学报,2021,42(6):8-17+5.

[2]王浩宇,左志强,邓宇翔,等.无人驾驶车辆运动控制综述[J/OL].控制理论与应用:1-16[2023-12-31].

[3]谭元杰,李宏鹏,王艳花,等.无人驾驶农业车辆技术的研究与应用[J].农业技术与装备,2020(10):22-23+25.

[4]刘婞韬,李小龙,徐岚俊,等.农机无人驾驶技术现状及发展前景[J].农机科技推广,2020(12):22-24.

[5]陶建华.中国一拖发布全国首款5G+氢燃料电动拖拉机[J].当代农机,2020(7):29.

[6]代聪,唐兴隆,张涛,等.无人驾驶拖拉机发展现状与趋势探讨[J].南方农机,2023,54(24):1-5+14.

[7]豫蓉.5G与北斗高精度定位融合发展趋势分析[J].电信工程技术与标准化,2020,33(4):1-6.

[8]张伦宁,周骅,智晓慧,等.基于北斗系统的农机信息化技术应用研究[J].南方农机,2021,52(11):21-22.

[9]于金英.农业机械自动导航技术研究进展[J].农机使用与维修,2022(9):48-50.

[10]秦宇,周宇,赵亮.面向农机自动驾驶的5G/大数据技术应用展望[J].邮电设计技术,2020(5):36-40.

文章来源:武海波,郭二东.基于5G技术的无人驾驶农机的应用及推广研究[J].南方农机,2024,55(12):63-64+71.