基于5G的無人機圖傳及在植保無人機的應用展望*

謝堯慶，鄧繼忠，葉家杭，霍靜朗，嚴智威

(國家精準農業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)合研究中心/華南農業(yè)大學工程學院，廣州市，510642)

0 引言

近年來，民用無人機技術發(fā)展迅速，已逐步應用于多個行業(yè)，如直播、巡檢和農業(yè)植保等。截至2020年底，我國實名登記無人機52.36萬架，2021年底全球無人機市場將超過120億美元[1]。伴隨著無人機技術的發(fā)展，作為無人機“眼睛”的無人機圖傳系統(tǒng)也與時俱進。無人機圖傳系統(tǒng)可把自帶影像設備采集的影像信息及時傳輸到地面端供分析并控制無人機完成特定的任務[2]，目前大多數無人機圖傳系統(tǒng)能夠實現(xiàn)遠距離圖傳，但是在畫質和傳輸速率上還不能完全滿足一些行業(yè)對高清實時的更高要求。5G技術的出現(xiàn)及應用研究則為無人機圖傳在畫質和傳輸速率上的突破帶來了契機。目前國內外對5G無人機圖傳的研究及應用主要放在高清視頻直播和巡檢方面，隨著5G應用于圖傳的發(fā)展，必將推動無人機在多個行業(yè)的深入應用[3]，例如，5G無人機圖傳和植保無人機結合起來，實現(xiàn)植保無人機的精準對靶噴灑。

目前國內植保無人機已經進入規(guī)?；瘧秒A段，在作物的病蟲草害防控中發(fā)揮了重大作用[4]，據統(tǒng)計，2020年植保無人機的市場保有量已達10萬架。目前，植保無人機噴灑作業(yè)正在向精準施藥、方向發(fā)展，如果將5G技術引入無人機圖傳并應用到植保無人機上，將在對靶噴灑研究方面取得突破。國內外現(xiàn)已研究的植保無人機對靶噴灑過程通常分為兩個步驟，一是農情的低空遙感分析并生成處方圖，二是植保無人機根據處方圖對靶噴灑。無人機圖傳采用5G技術后可簡化植保無人機對靶噴灑流程。

鑒于此，本文基于植保無人機對靶噴灑對無人機圖傳技術的需求，首先介紹無人機圖傳的幾種技術，介紹國內外5G無人機圖傳技術和植保無人機對靶噴灑技術的研究現(xiàn)狀，指出研究存在的問題，最后提出結合5G無人機圖傳技術發(fā)展植保無人機對靶噴灑技術的研究建議。

1 無人機圖傳技術

1.1 5G無人機圖傳

1.1.1 5G無人機圖傳框架

利用5G實現(xiàn)無人機和地面端的圖傳，無人機端用5G模組將無人機端接入網絡，借助中轉服務器進行無人機端和地面端數據傳輸的中轉。云服務器充當中轉服務器，其管理方式比物理服務器更簡單高效[5]。RaspberryPi和Jetson TX2等可作為無人機的嵌入式平臺，需要將嵌入式開發(fā)板和5G模組進行兼容性配置，以便讓無人機端接入到5G網絡，來進行與地面端的數據發(fā)送和接收。具體框架如圖1所示。

圖1 5G無人機實時傳輸系統(tǒng)框圖

1.1.2 5G網絡下無人機視頻流傳輸

視頻流通常采用UDP協(xié)議進行傳輸，而精確數據則通常使用TCP進行傳輸[6]。地面端使用Qt Creator作為IDE進行軟件開發(fā)，主要涉及功能有可視化界面設計、網絡編程、視頻流編解碼以及一些線程設計的問題。地面端具體功能需求如表1所示。無人機端移植無線網卡驅動，使用5G模組使無人機端接入5G網絡。軟件部分添加視頻采集編碼、網絡通信、轉發(fā)控制指令等功能。無人機端具體功能需求如表2所示。

表1 地面端功能需求表

表2 無人機端功能需求表

在實際利用5G信號進行無人機圖傳的過程中，利用機載攝像頭采集實時圖像，圖像經過編碼后通過5G網絡傳輸地面端，如圖2所示。

圖2 實時視頻流傳輸圖

1.2 4G無人機圖傳

利用4G網絡傳輸，無人機圖傳系統(tǒng)采用C/S軟件結構進行設計，分為發(fā)送模塊、服務器模塊和PC監(jiān)控端三部分[7]，如圖3所示。

圖3 基于4G的無人機圖傳系統(tǒng)框圖

發(fā)送端USB攝像頭采集的視頻數據通過RTSP流媒體協(xié)議封裝發(fā)送至服務器端，PC監(jiān)控端通過RTSP流媒體協(xié)議接收服務器端的數據顯示完整的視頻信息。此架構下借助4G網絡進行無人機圖傳，傳輸速率能達到300 kb/s,在傳輸畫質上能達到720 p,傳輸時延能控制在在400 ms左右[8-10]。

1.3 其他信號圖傳

1)OFDM技術。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復用技術，是多載波調制的一種，該技術適合于高速數據的傳輸[11]。優(yōu)點是在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數據、能夠對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾等等。但也存在載波頻率偏移、對相位噪聲和載波頻偏十分敏感、峰均比比較高的缺點。

2)COFDM技術。COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即編碼的OFDM，在進行OFDM調制之前增加一些信道編碼(主要是增加糾錯和交織)，來提高系統(tǒng)的可靠性[12-13]。

3)WiFi傳輸視頻流方式。在無人機機載攝像頭視頻輸出端口上連接傳輸圖像信號的WiFi發(fā)射器，地面上設置接收WiFi信號的天線，將接收到的視頻信號轉碼并在連接的顯示器顯示畫面[14-15]。在WiFi傳輸機制下，每個數據包必須都完整無誤地傳輸。一旦數據錯誤或丟失，就需要重新發(fā)送數據包保證數據的完整性與一致性。

4)Lightbridge高清遠距離數字圖傳技術。Lightbrige技術使用單向圖像數據傳輸，類似于高處的電視廣播塔的數據傳輸形式[16]。基于此特性，圖傳時延在100～200 ms之間，不僅可以最小化傳輸時延，還可以最大化傳輸距離。

1.4 5G無人機圖傳的優(yōu)勢

目前4G已經難以滿足無人機高清實時圖傳的應用需求，而5G具有超高速度、超低延時等特點，可以彌補4G的不足[17]。關鍵指標對比如表3所示，5G用戶體驗速率更快，可達到1 Gb/s，是4G的100倍；連接數量密度更高，可達到100萬/km2，是4G的10倍；空口時延更低，可低至1ms，是4G的1/10。除此之外，5G還具有500 km/h的移動性、10 Tbps/km2的流量密度、20 Gbps/s高峰值速率等關鍵指標[18]，各項指標相較于4G都有極大提升?；?G這些特性的無人機圖傳系統(tǒng)，能實現(xiàn)無人機的高清實時圖傳，進一步拓展無人機在各領域應用的深度和廣度。在農業(yè)領域，若將5G圖傳技術應用在植保無人機對靶噴灑中，能極大簡化對靶噴灑的流程。

表3 5G和4G網絡關鍵指標對比

2 5G無人機圖傳及植保無人機對靶噴灑研究現(xiàn)狀

2.1 5G無人機圖傳研究現(xiàn)狀

利用5G技術對無人機進行圖傳，需對無人機端進行開發(fā)，使機載端連入到5G網絡，將無人機采集的信息通過5G網絡傳輸到地面端。

2.1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對5G無人機圖傳已有較廣泛的應用和研究，Koumaras等[19]提出了一種利用5G網絡進行信號傳輸的無人機控制系統(tǒng)，開發(fā)了一個基于5G網絡的服務平臺，與安裝在無人機上的通信模塊進行連接，實現(xiàn)無人機的遠程控制。Khan等[20]提出了通過5G無人機實現(xiàn)輸電線路巡檢的思路，并在輸電線路智能巡檢系統(tǒng)研發(fā)的實際應用中，無人機利用5G網絡對輸電線路進行超長距離低時延的全自動智能巡檢，并進行實時的故障診斷和智能分析。Mahbub[21]在文獻中分析了無人機在5G網絡中進行圖傳的幾個性能指標(路徑損耗、衰減和傳輸速率)，以保證圖傳范圍更好的覆蓋，提高傳輸效率，最后討論了無人機利用5G網絡面臨的挑戰(zhàn)以及進一步增強無人機網絡接收范圍的方法。Dm等[22]提出了一種基于5G網絡的超遠距離無人機通信控制系統(tǒng)，由后臺應用軟件、無人機終端通信控制系統(tǒng)和起降服務臺通信控制系統(tǒng)等部分組成，通過5G網絡實現(xiàn)無人機與地面基站之間的指令傳輸和信息反饋，能夠超遠程控制無人機。

2.1.2 國內研究現(xiàn)狀

目前，5G圖傳技術在國內已有利用在無人機上實現(xiàn)遠距離高清直播和巡檢的嘗試。陳曉婷等[23]利用機載攝像頭采集實時圖像，得到的圖像經過編碼后通過機載5G模塊傳輸至中轉服務器，地面端從中轉服務器獲取信息，實現(xiàn)了地面端與無人機端的實時圖像傳輸。鄭杰等[24]采用具備網絡接口視頻輸出的4K高清攝像設備，無人機搭載5G CPE(customer premise equipment，客戶前端設備)，在空中實現(xiàn)5G信息鏈路的鏈接，將機載4K視頻數據通過5G基站傳輸到地面終端，實現(xiàn)4K高清視頻的實時傳輸，傳輸碼率在5～17.8 Mb/s之間。王浩宇等[25]將無人機和地面控制臺通過自有鏈路傳輸飛行控制信號，無人機的外掛云臺通過5G模組與基站直連，視頻數據通過5G網絡傳輸至核心網，地面用戶登錄核心網獲取視頻數據，實現(xiàn)無人機高清視頻的直播。劉沖等[26]設計了無人機全自動巡檢系統(tǒng)，包括5G無人機、全自動機場及在無人機上搭載高倍攝像頭、激光、紅外線熱成像吊艙等設備，同輸電線路無人機巡檢平臺相結合，實現(xiàn)無人機全自動巡檢。于海洋等[27]通過機載通信終端進行任務載荷視頻傳輸，依托5G高速網絡機載硬件編碼器、智能流媒體管理等技術實現(xiàn)4K視頻的高速傳輸。

2.2 植保無人機對靶噴灑研究現(xiàn)狀

植保無人機對靶噴灑是一種精準、低量、高效的施藥技術，從目前對靶噴灑的研究來看，需要獲取農田的可見光或多光譜低空遙感圖像，處理后形成正射圖像，分析正射圖像得到農田的病蟲草害程度或等級分布信息，進而得到將農田分成小區(qū)的作業(yè)處方圖，最終植保無人機根據處方圖進行對靶噴灑[28]。

2.2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外學者在對農田信息進行獲取和生成處方圖進行了相關研究。Liebisch等[29]將低空高通量遙感平臺應用于育種領域，利用無人飛艇獲取玉米的紅綠藍RGB(Red、Green、Blue)數碼影像、植被指數影像和熱影像，建立植物植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、葉面積指數、生物量和葉綠素等的關系模型。Sindhuja等[30]利用無人機遙感平臺搭載普通RGB3通道數碼相機和改造過的NDVI、近紅、綠和藍4通道相機，監(jiān)測了冬小麥出苗、冬季耐寒性。Zaman-Allah等[31]利用固定翼無人機搭載ADC-Lite多光譜相機對低氮情況下玉米表型空間變化進行評估，建立并分析了作物歸一化植被指數與成熟度、產量之間的關系模型。Che等根據多光譜圖像和正射投影圖像，生成第一圖像數據，從正射投影圖像中的像元獲取位置屬性，從多光譜圖像中提取到的像元值用于表征位置屬性對應區(qū)域的水稻生長情況，然后根據第一圖像數據內對應的目標像元確定對應的作業(yè)處方圖。

植保無人機根據處方圖中的相關信息，實時調整施藥量，實現(xiàn)按需、按量的對靶噴灑，國外已開展了這方面的研究。Palleja等[32]設計的基于高速掃描傳感器的變量施藥系統(tǒng)，每個噴頭由PWM(Pulse Width Modulation，PWM)電磁開關控制，可根據植被高度、冠層信息實時調整施藥量。Hossein等設計的變量施藥控制系統(tǒng)可以為農田管理者提供基礎的飛行指令、飛行日志和施藥量控制策略等功能，并通過氣象傳感器實時接收、處理氣象信息，從而減少施藥過程中農藥的浪費，極大優(yōu)化噴灑質量。Shalal等[33]根據處方圖建立施藥噴嘴直徑、施藥角度、施藥系統(tǒng)壓力和飛行機構的飛行速度與施藥量之間的模型，對施藥液滴沉積和施藥液滴飄移的影響因素進行分析，試驗結果表明施藥液滴沉積和施藥液滴飄移在該模型下的結果接近實際情況，滿足試驗需求。

2.2.2 國內研究現(xiàn)狀

國內的一些研究者對處方圖生成技術進行了探索。于豐華等[34]利用記載高光譜成像儀配套的SpectraVIEW軟件對遙感圖像進行處理，最終生成處方圖來實現(xiàn)無人機進行對吧噴灑作業(yè)；漆海霞等[35]使用無人機搭載多光譜以及地物波譜儀獲取農情信息并生成施藥處方圖；鄭啟帥[36]對測試作業(yè)區(qū)域中的經緯度信息進行提取，提出了一種經過坐標系變換的高效處方圖算法；李冰等[37]利用低空無人直升機上搭載的多光譜相機，生成處方圖用于檢測冬小麥覆蓋情況，研究了空間尺度和提取植被覆蓋度精度的關系。楊貴軍等[38]在多旋翼無人機上集成高清數碼相機、多光譜儀和熱像儀等多個傳感器，研究并實現(xiàn)無地面控制點時對無人機遙感數據進行幾何精度校正的模型，用于農田復雜環(huán)境下的作業(yè)，獲取作物倒伏面積、葉面積指數、產量及冠層溫度等高通量信息。

植保無人機精準對靶噴灑以處方圖數據來控制噴頭噴藥。馬景宇等[39]采用嵌入式處理器開發(fā)施藥控制模塊，通過處方圖實現(xiàn)精準對靶噴灑；王玲等[40]搭建適用于無人機的脈寬調制型變量噴藥系統(tǒng)，研究了PWM 占空比、電動離心噴頭轉速等變量對霧滴粒徑的影響；郭一鳴[41]建立了基于壓力式變量調節(jié)的無人機施藥裝置，研究速度自適應的無人機對靶噴灑控制系統(tǒng)，建立噴頭噴灑霧滴粒徑與流量、轉速之間的關系模型，保證噴頭流量輸出隨無人機飛行而變化；黃偉峰等采用嵌入式處理器S3C44B0X為主控芯片，完成了對噴霧壓力、流量控制和地理位置結合的精準施藥系統(tǒng)。

3 存在問題

經過總結上述文獻，在5G無人機圖傳和植保無人機對靶噴灑中還存在一些問題。

1)5G網絡的圖傳研究實際運用效果差，5G RAN側組網方式總體上可分為獨立部署(Stand alone，SA)和非獨立部署(non-Stand-alone，NSA)兩種。NSA組網方式并沒有完全脫離4G網絡，5G信號的自干擾現(xiàn)象仍需優(yōu)化，存在5G信號不穩(wěn)定，傳輸時延加長等問題，在接收不到5G信號的地方會自動默認轉換為接收4G信號[42]，5G信號在空中尤其是在50 m以上空間的分布情況以及信號強度情況還需研究。

2)目前的無人機圖傳系統(tǒng)大多數都能實現(xiàn)無人機端到地面端的圖像和視頻信息的發(fā)送，使用單向的數據傳輸較為普遍，雙向數據傳輸較為缺乏，且地面端以顯示無人機傳輸圖像的設備為主，外設設備的連接較為單一，對無人機圖傳系統(tǒng)的進一步開發(fā)與應用還需探索。

3)國內外5G無人機圖傳研究較多，植保無人機對靶噴灑也開展了研究，但是將5G圖傳技術應用到植保無人機對靶噴灑的研究缺乏，從植保無人機對靶噴灑的研究中可以看出，處方圖的生成與植保無人機對靶噴灑需要無人機飛行兩次，過程繁瑣且浪費資源。

4 發(fā)展建議

4.1 5G信號覆蓋與安全建設

加大5G信號覆蓋范圍的建設，保障5G無人機在復雜環(huán)境下飛行時的通信正常。同時對無人機制造商、通信運營商和云服務器端進行監(jiān)管，促進多項部門的合作，在未來的發(fā)展中建立智能控制管理體系，充分利用5G所帶來的高速率、低時延來安全和順利的實現(xiàn)5G無人機圖傳。

4.2 增加地面端功能

對無人機傳輸協(xié)議和地面端外設設備的應用連接進行研究，實現(xiàn)無人機端和地面端的雙向傳輸，增加地面端設備連接的數量，如地面端添加圖像處理服務器，利用5G信號的高速率和低時延的特點，將圖像數據高速傳輸到地面端，由運算能力強大的地面端服務器快速分析復雜場景，分析結果通過5G回傳到機載端，完全可以達到實時采集、分析和控制，進一步發(fā)揮無人機圖傳系統(tǒng)的功能。

4.3 5G無人機圖傳與植保無人機對靶噴灑結合

對靶噴灑流程如圖4所示。

圖4 對靶噴灑流程圖

將5G無人機圖傳與植保無人機對靶噴灑結合，首先無人機按照預先規(guī)劃的航線飛行，實時采集飛行前方目標區(qū)域的農田圖像，通過5G網絡將圖像發(fā)送至中轉服務器，地面端通過5G網絡從中轉服務器獲得圖像信息，添加深度學習模型對圖像進行處理生成處方圖，再通過5G網絡發(fā)送至中轉服務器，無人機從中轉服務器獲得處方圖信息，最后無人機根據接收到的處方圖對目標區(qū)域進行對靶噴灑。

5 結語

5G具有高速率低時延等特點，能夠實現(xiàn)無人機高清實時圖傳，推動無人機技術在各個行業(yè)的深入應用。將5G圖傳技術與植保無人機結合，能推進植保無人機精準施藥技術的發(fā)展。本文基于無人機圖傳幾種方式，分析5G技術的優(yōu)勢，通過5G無人機圖傳和植保無人機對靶噴灑的研究現(xiàn)狀，提出將5G無人機圖傳應用到植保無人機對靶噴灑中。為促進5G無人機圖傳和植保無人機對靶噴灑的發(fā)展，給出提高5G信號與安全的建設、增加無人機圖傳系統(tǒng)地面端功能、加強5G無人機圖傳與植保無人機結合的發(fā)展建議。今后，隨著5G通信技術和無人機行業(yè)的發(fā)展，無人機高清實時圖傳和植保無人機對靶噴灑結合，是植保無人機精準施藥技術的發(fā)展方向之一。