基于5G的无人机图传及在植保无人机的应用展望*

谢尧庆，邓继忠，叶家杭，霍静朗，严智威

(国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心/华南农业大学工程学院，广州市，510642)

0 引言

近年来，民用无人机技术发展迅速，已逐步应用于多个行业，如直播、巡检和农业植保等。截至2020年底，我国实名登记无人机52.36万架，2021年底全球无人机市场将超过120亿美元[1]。伴随着无人机技术的发展，作为无人机“眼睛”的无人机图传系统也与时俱进。无人机图传系统可把自带影像设备采集的影像信息及时传输到地面端供分析并控制无人机完成特定的任务[2]，目前大多数无人机图传系统能够实现远距离图传，但是在画质和传输速率上还不能完全满足一些行业对高清实时的更高要求。5G技术的出现及应用研究则为无人机图传在画质和传输速率上的突破带来了契机。目前国内外对5G无人机图传的研究及应用主要放在高清视频直播和巡检方面，随着5G应用于图传的发展，必将推动无人机在多个行业的深入应用[3]，例如，5G无人机图传和植保无人机结合起来，实现植保无人机的精准对靶喷洒。

目前国内植保无人机已经进入规模化应用阶段，在作物的病虫草害防控中发挥了重大作用[4]，据统计，2020年植保无人机的市场保有量已达10万架。目前，植保无人机喷洒作业正在向精准施药、方向发展，如果将5G技术引入无人机图传并应用到植保无人机上，将在对靶喷洒研究方面取得突破。国内外现已研究的植保无人机对靶喷洒过程通常分为两个步骤，一是农情的低空遥感分析并生成处方图，二是植保无人机根据处方图对靶喷洒。无人机图传采用5G技术后可简化植保无人机对靶喷洒流程。

鉴于此，本文基于植保无人机对靶喷洒对无人机图传技术的需求，首先介绍无人机图传的几种技术，介绍国内外5G无人机图传技术和植保无人机对靶喷洒技术的研究现状，指出研究存在的问题，最后提出结合5G无人机图传技术发展植保无人机对靶喷洒技术的研究建议。

1 无人机图传技术

1.1 5G无人机图传

1.1.1 5G无人机图传框架

利用5G实现无人机和地面端的图传，无人机端用5G模组将无人机端接入网络，借助中转服务器进行无人机端和地面端数据传输的中转。云服务器充当中转服务器，其管理方式比物理服务器更简单高效[5]。RaspberryPi和Jetson TX2等可作为无人机的嵌入式平台，需要将嵌入式开发板和5G模组进行兼容性配置，以便让无人机端接入到5G网络，来进行与地面端的数据发送和接收。具体框架如图1所示。

图1 5G无人机实时传输系统框图

1.1.2 5G网络下无人机视频流传输

视频流通常采用UDP协议进行传输，而精确数据则通常使用TCP进行传输[6]。地面端使用Qt Creator作为IDE进行软件开发，主要涉及功能有可视化界面设计、网络编程、视频流编解码以及一些线程设计的问题。地面端具体功能需求如表1所示。无人机端移植无线网卡驱动，使用5G模组使无人机端接入5G网络。软件部分添加视频采集编码、网络通信、转发控制指令等功能。无人机端具体功能需求如表2所示。

表1 地面端功能需求表

表2 无人机端功能需求表

在实际利用5G信号进行无人机图传的过程中，利用机载摄像头采集实时图像，图像经过编码后通过5G网络传输地面端，如图2所示。

图2 实时视频流传输图

1.2 4G无人机图传

利用4G网络传输，无人机图传系统采用C/S软件结构进行设计，分为发送模块、服务器模块和PC监控端三部分[7]，如图3所示。

图3 基于4G的无人机图传系统框图

发送端USB摄像头采集的视频数据通过RTSP流媒体协议封装发送至服务器端，PC监控端通过RTSP流媒体协议接收服务器端的数据显示完整的视频信息。此架构下借助4G网络进行无人机图传，传输速率能达到300 kb/s,在传输画质上能达到720 p,传输时延能控制在在400 ms左右[8-10]。

1.3 其他信号图传

1)OFDM技术。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，是多载波调制的一种，该技术适合于高速数据的传输[11]。优点是在窄带带宽下也能够发出大量的数据、能够对抗频率选择性衰落或窄带干扰等等。但也存在载波频率偏移、对相位噪声和载波频偏十分敏感、峰均比比较高的缺点。

2)COFDM技术。COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即编码的OFDM，在进行OFDM调制之前增加一些信道编码(主要是增加纠错和交织)，来提高系统的可靠性[12-13]。

3)WiFi传输视频流方式。在无人机机载摄像头视频输出端口上连接传输图像信号的WiFi发射器，地面上设置接收WiFi信号的天线，将接收到的视频信号转码并在连接的显示器显示画面[14-15]。在WiFi传输机制下，每个数据包必须都完整无误地传输。一旦数据错误或丢失，就需要重新发送数据包保证数据的完整性与一致性。

4)Lightbridge高清远距离数字图传技术。Lightbrige技术使用单向图像数据传输，类似于高处的电视广播塔的数据传输形式[16]。基于此特性，图传时延在100～200 ms之间，不仅可以最小化传输时延，还可以最大化传输距离。

1.4 5G无人机图传的优势

目前4G已经难以满足无人机高清实时图传的应用需求，而5G具有超高速度、超低延时等特点，可以弥补4G的不足[17]。关键指标对比如表3所示，5G用户体验速率更快，可达到1 Gb/s，是4G的100倍；连接数量密度更高，可达到100万/km2，是4G的10倍；空口时延更低，可低至1ms，是4G的1/10。除此之外，5G还具有500 km/h的移动性、10 Tbps/km2的流量密度、20 Gbps/s高峰值速率等关键指标[18]，各项指标相较于4G都有极大提升。基于5G这些特性的无人机图传系统，能实现无人机的高清实时图传，进一步拓展无人机在各领域应用的深度和广度。在农业领域，若将5G图传技术应用在植保无人机对靶喷洒中，能极大简化对靶喷洒的流程。

表3 5G和4G网络关键指标对比

2 5G无人机图传及植保无人机对靶喷洒研究现状

2.1 5G无人机图传研究现状

利用5G技术对无人机进行图传，需对无人机端进行开发，使机载端连入到5G网络，将无人机采集的信息通过5G网络传输到地面端。

2.1.1 国外研究现状

国外对5G无人机图传已有较广泛的应用和研究，Koumaras等[19]提出了一种利用5G网络进行信号传输的无人机控制系统，开发了一个基于5G网络的服务平台，与安装在无人机上的通信模块进行连接，实现无人机的远程控制。Khan等[20]提出了通过5G无人机实现输电线路巡检的思路，并在输电线路智能巡检系统研发的实际应用中，无人机利用5G网络对输电线路进行超长距离低时延的全自动智能巡检，并进行实时的故障诊断和智能分析。Mahbub[21]在文献中分析了无人机在5G网络中进行图传的几个性能指标(路径损耗、衰减和传输速率)，以保证图传范围更好的覆盖，提高传输效率，最后讨论了无人机利用5G网络面临的挑战以及进一步增强无人机网络接收范围的方法。Dm等[22]提出了一种基于5G网络的超远距离无人机通信控制系统，由后台应用软件、无人机终端通信控制系统和起降服务台通信控制系统等部分组成，通过5G网络实现无人机与地面基站之间的指令传输和信息反馈，能够超远程控制无人机。

2.1.2 国内研究现状

目前，5G图传技术在国内已有利用在无人机上实现远距离高清直播和巡检的尝试。陈晓婷等[23]利用机载摄像头采集实时图像，得到的图像经过编码后通过机载5G模块传输至中转服务器，地面端从中转服务器获取信息，实现了地面端与无人机端的实时图像传输。郑杰等[24]采用具备网络接口视频输出的4K高清摄像设备，无人机搭载5G CPE(customer premise equipment，客户前端设备)，在空中实现5G信息链路的链接，将机载4K视频数据通过5G基站传输到地面终端，实现4K高清视频的实时传输，传输码率在5～17.8 Mb/s之间。王浩宇等[25]将无人机和地面控制台通过自有链路传输飞行控制信号，无人机的外挂云台通过5G模组与基站直连，视频数据通过5G网络传输至核心网，地面用户登录核心网获取视频数据，实现无人机高清视频的直播。刘冲等[26]设计了无人机全自动巡检系统，包括5G无人机、全自动机场及在无人机上搭载高倍摄像头、激光、红外线热成像吊舱等设备，同输电线路无人机巡检平台相结合，实现无人机全自动巡检。于海洋等[27]通过机载通信终端进行任务载荷视频传输，依托5G高速网络机载硬件编码器、智能流媒体管理等技术实现4K视频的高速传输。

2.2 植保无人机对靶喷洒研究现状

植保无人机对靶喷洒是一种精准、低量、高效的施药技术，从目前对靶喷洒的研究来看，需要获取农田的可见光或多光谱低空遥感图像，处理后形成正射图像，分析正射图像得到农田的病虫草害程度或等级分布信息，进而得到将农田分成小区的作业处方图，最终植保无人机根据处方图进行对靶喷洒[28]。

2.2.1 国外研究现状

国外学者在对农田信息进行获取和生成处方图进行了相关研究。Liebisch等[29]将低空高通量遥感平台应用于育种领域，利用无人飞艇获取玉米的红绿蓝RGB(Red、Green、Blue)数码影像、植被指数影像和热影像，建立植物植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、叶面积指数、生物量和叶绿素等的关系模型。Sindhuja等[30]利用无人机遥感平台搭载普通RGB3通道数码相机和改造过的NDVI、近红、绿和蓝4通道相机，监测了冬小麦出苗、冬季耐寒性。Zaman-Allah等[31]利用固定翼无人机搭载ADC-Lite多光谱相机对低氮情况下玉米表型空间变化进行评估，建立并分析了作物归一化植被指数与成熟度、产量之间的关系模型。Che等根据多光谱图像和正射投影图像，生成第一图像数据，从正射投影图像中的像元获取位置属性，从多光谱图像中提取到的像元值用于表征位置属性对应区域的水稻生长情况，然后根据第一图像数据内对应的目标像元确定对应的作业处方图。

植保无人机根据处方图中的相关信息，实时调整施药量，实现按需、按量的对靶喷洒，国外已开展了这方面的研究。Palleja等[32]设计的基于高速扫描传感器的变量施药系统，每个喷头由PWM(Pulse Width Modulation，PWM)电磁开关控制，可根据植被高度、冠层信息实时调整施药量。Hossein等设计的变量施药控制系统可以为农田管理者提供基础的飞行指令、飞行日志和施药量控制策略等功能，并通过气象传感器实时接收、处理气象信息，从而减少施药过程中农药的浪费，极大优化喷洒质量。Shalal等[33]根据处方图建立施药喷嘴直径、施药角度、施药系统压力和飞行机构的飞行速度与施药量之间的模型，对施药液滴沉积和施药液滴飘移的影响因素进行分析，试验结果表明施药液滴沉积和施药液滴飘移在该模型下的结果接近实际情况，满足试验需求。

2.2.2 国内研究现状

国内的一些研究者对处方图生成技术进行了探索。于丰华等[34]利用记载高光谱成像仪配套的SpectraVIEW软件对遥感图像进行处理，最终生成处方图来实现无人机进行对吧喷洒作业；漆海霞等[35]使用无人机搭载多光谱以及地物波谱仪获取农情信息并生成施药处方图；郑启帅[36]对测试作业区域中的经纬度信息进行提取，提出了一种经过坐标系变换的高效处方图算法；李冰等[37]利用低空无人直升机上搭载的多光谱相机，生成处方图用于检测冬小麦覆盖情况，研究了空间尺度和提取植被覆盖度精度的关系。杨贵军等[38]在多旋翼无人机上集成高清数码相机、多光谱仪和热像仪等多个传感器，研究并实现无地面控制点时对无人机遥感数据进行几何精度校正的模型，用于农田复杂环境下的作业，获取作物倒伏面积、叶面积指数、产量及冠层温度等高通量信息。

植保无人机精准对靶喷洒以处方图数据来控制喷头喷药。马景宇等[39]采用嵌入式处理器开发施药控制模块，通过处方图实现精准对靶喷洒；王玲等[40]搭建适用于无人机的脉宽调制型变量喷药系统，研究了PWM 占空比、电动离心喷头转速等变量对雾滴粒径的影响；郭一鸣[41]建立了基于压力式变量调节的无人机施药装置，研究速度自适应的无人机对靶喷洒控制系统，建立喷头喷洒雾滴粒径与流量、转速之间的关系模型，保证喷头流量输出随无人机飞行而变化；黄伟峰等采用嵌入式处理器S3C44B0X为主控芯片，完成了对喷雾压力、流量控制和地理位置结合的精准施药系统。

3 存在问题

经过总结上述文献，在5G无人机图传和植保无人机对靶喷洒中还存在一些问题。

1)5G网络的图传研究实际运用效果差，5G RAN侧组网方式总体上可分为独立部署(Stand alone，SA)和非独立部署(non-Stand-alone，NSA)两种。NSA组网方式并没有完全脱离4G网络，5G信号的自干扰现象仍需优化，存在5G信号不稳定，传输时延加长等问题，在接收不到5G信号的地方会自动默认转换为接收4G信号[42]，5G信号在空中尤其是在50 m以上空间的分布情况以及信号强度情况还需研究。

2)目前的无人机图传系统大多数都能实现无人机端到地面端的图像和视频信息的发送，使用单向的数据传输较为普遍，双向数据传输较为缺乏，且地面端以显示无人机传输图像的设备为主，外设设备的连接较为单一，对无人机图传系统的进一步开发与应用还需探索。

3)国内外5G无人机图传研究较多，植保无人机对靶喷洒也开展了研究，但是将5G图传技术应用到植保无人机对靶喷洒的研究缺乏，从植保无人机对靶喷洒的研究中可以看出，处方图的生成与植保无人机对靶喷洒需要无人机飞行两次，过程繁琐且浪费资源。

4 发展建议

4.1 5G信号覆盖与安全建设

加大5G信号覆盖范围的建设，保障5G无人机在复杂环境下飞行时的通信正常。同时对无人机制造商、通信运营商和云服务器端进行监管，促进多项部门的合作，在未来的发展中建立智能控制管理体系，充分利用5G所带来的高速率、低时延来安全和顺利的实现5G无人机图传。

4.2 增加地面端功能

对无人机传输协议和地面端外设设备的应用连接进行研究，实现无人机端和地面端的双向传输，增加地面端设备连接的数量，如地面端添加图像处理服务器，利用5G信号的高速率和低时延的特点，将图像数据高速传输到地面端，由运算能力强大的地面端服务器快速分析复杂场景，分析结果通过5G回传到机载端，完全可以达到实时采集、分析和控制，进一步发挥无人机图传系统的功能。

4.3 5G无人机图传与植保无人机对靶喷洒结合

对靶喷洒流程如图4所示。

图4 对靶喷洒流程图

将5G无人机图传与植保无人机对靶喷洒结合，首先无人机按照预先规划的航线飞行，实时采集飞行前方目标区域的农田图像，通过5G网络将图像发送至中转服务器，地面端通过5G网络从中转服务器获得图像信息，添加深度学习模型对图像进行处理生成处方图，再通过5G网络发送至中转服务器，无人机从中转服务器获得处方图信息，最后无人机根据接收到的处方图对目标区域进行对靶喷洒。

5 结语

5G具有高速率低时延等特点，能够实现无人机高清实时图传，推动无人机技术在各个行业的深入应用。将5G图传技术与植保无人机结合，能推进植保无人机精准施药技术的发展。本文基于无人机图传几种方式，分析5G技术的优势，通过5G无人机图传和植保无人机对靶喷洒的研究现状，提出将5G无人机图传应用到植保无人机对靶喷洒中。为促进5G无人机图传和植保无人机对靶喷洒的发展，给出提高5G信号与安全的建设、增加无人机图传系统地面端功能、加强5G无人机图传与植保无人机结合的发展建议。今后，随着5G通信技术和无人机行业的发展，无人机高清实时图传和植保无人机对靶喷洒结合，是植保无人机精准施药技术的发展方向之一。