本文收录于《农业工程技术-农业信息化》2024年第4期，目次19
摘要：播种机器人系统的科学设计，在提升播种效率、播种质量中发挥着不可替代的作用。该文阐述了播种机器人应用的重要性，围绕零部件设计、功能设计、系统设计、播种性能试验，对播种机器人系统设计实现与试验进行探讨，以使其趋向成熟。
关键词：播种机器人；系统设计；试验
播种机器人是农业未来智能化发展主要方向，能够为播种等工作提供更多便利。相较于人工播种方式，播种机器人的应用，能够提升播种效率；与重型机械设备相比而言，播种机器人在使用时，不会对农田结构造成损坏。
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播种机器人应用的重要性
在现代农业发展中，播种机器人应用的重要性体现在不同方面，播种机器人可以自动完成播种任务，包括开沟、播种、覆土等，从而提高农业生产效率；使用播种机器人可以减少人力投入，降低农业生产成本[1]。在劳动力短缺的地区，播种机器人可以缓解劳动力压力；可以避免人为错误，降低农业生产风险。例如，它们可以精确控制播种深度、间距和播种量，降低缺苗、烂苗等风险；播种机器人可以保证播种质量，提高农产品产量和品质。例如，在使用中可以精确控制播种时间、地点和品种，提高农产品的市场竞争力；播种机器人可以减少农药、化肥等化学品的使用，降低对环境的影响，促进农业可持续发展；播种机器人的应用有助于推动农业机械化、智能化，实现农业现代化。
播种机器人的设计与工作原理
2.1 设计
2.1.1零部件设计
随着农业工程领域的不断发展，已经成功研发出专门的采摘机器人、除草机器人、水稻插秧机器人等。在农业播种机器人中，涉及到两部分，分别是移动机构、播种机构，底座主要采取四轮设计形式，主要目的是为机器人运动提供便利，在不平坦的地形上，能够实现自由移动。在设计农业播种机器人重要零部件时，要做好以下几点：
（1）播种机构。农作物播种主要依靠的是曲柄滑块，在曲柄滑块的作用之下，机器人会将种子播种到土壤中，深度适宜，这对于种子发芽率的提升，能够起到良好促进作用。种子存储机构与曲柄滑块连接，机器人的存储容器，会对存储机构的运行产生影响。圆形板在种子存储容器中，利用曲柄滑块实现运动，种子在容器中能够直接被分发到软管内，通过软管实现种子播种，每次播种一粒，种子发芽成功率全面提高。设备运行分为自主模式、手动模式，操作人员可以手动操作机器人，从而达到最佳播种位置[2]。接着将自主播种模式开启，机器人朝着直线方向前进，根据系统规定的行走距离停止，并重复这一操作。
（2）电池外壳。电池外壳设计中，主要材料为铝材料，将其设置在机器人机架位置，实现对计算机、电池设备等零件的容纳，为各模块运行提供充足动力。将防雨触摸屏安装在模块外部，借助连接器与车载计算机连接。
（3）驱动机构。在播种机器人的驱动模块，会设置一个电机与一个传动装置，连接于转向模块输出轴，电机的驱动依靠电机控制器实现。
（4）旋转模块。播种机器人在运行过程中，驱动模块会围绕垂直轴进行旋转，通过该种方式，能够对播种机器人的转动方向进行控制，促使机器人的机动性能得以完善。转向模块要想调整机器人方向，要借助驱动模块，连接机器人框架，或者连接悬挂模块框架。在旋转模块中涉及到传输控制器、电机控制器、直流电机等，控制器可以实现转向电机、驱动模块电机的同时驱动，实现360°旋转工作，确保播种机器人的正常运行。
2.1.2功能设计
在播种机器人系统功能设计中，要注意以下几点：
（1）要想实现自动播种功能，要借助于自动驾驶技术，在GPS伪距差分原理基础上，使用精密播种器落实播种操作。借助于PC端实现线路的科学规划，保证参数设置合理性，机器人也能够实现自主操作。
（2）想要实现人工控制下的播种功能，要借助ATmega328 MCU控制器，数据传输在Wi-Fi信号下进行，这样手机App客户端能够实现短程操控[3]。利用机器人携带的摄像头，将实时画面传输给手机端，操作人员能够随时对播种作业进行调整。
（3）漏播检测补播功能，需要工作人员明确，种子和土地可见光的具体差异情况，从而分析并确定是否存在漏播现象。结合空中穴完成点播，从而避免误差。
（4）作物大数据分析功能的实现，要将云数据平台优势发挥出来，在人工控制基础上，利用环境信息采集系统，自动化采集并记录播种间距信息、播种深度信息等。通过对信息的汇总与分析，为后续播种工作的落实提供保障。
2.2 工作原理
播种机器人的工作原理主要涉及到以下几点：（1）土壤准备。播种机器人首先需要对土壤进行翻耕、平整，为播种创造适宜的条件。这一般通过安装在机器人上的犁、耙等工具完成。（2）播种。播种机器人通过专门的播种装置，将种子播入土壤中。这些装置可以是简单的播种管，也可以是更为复杂的真空播种系统或气力播种系统。（3）覆盖。播种完成后，机器人需要用土壤、肥料或其他覆盖材料将种子覆盖，以保持土壤水分，保护种子萌发。（4）灌溉。根据需要，播种机器人可以对播种区域进行灌溉，以保证种子有足够的水分供给。（5）监控。播种机器人可以通过各种传感器和摄像头对播种过程进行实时监控，确保播种质量，并对可能出现的问题作出及时调整。
设计试验
3.1 系统设计
在农业播种机器人系统设计中，涉及到电路系统设计、控制系统设计等方面。在电路系统设计中，机器人使用的是可充电电池，主要为3000 mAh可充电12 V锂电池，电池能够与Arduino Mega微控制器连接，在此基础上，为机器人电子元件运行创造良好条件。在电路系统中，操作人员能够实现对机器人播种作业开关的控制，减少能耗，实现资源的合理利用。机器人控制系统中的直流电机，具备高扭矩特点，在后期维护中，实际花费成本较低。在控制系统中有四个变速直流电机，额定电压、额定电流分别为5 V、0.2 A，能够实现对轮子的驱动，实现底座的正常运行，即便是在粗糙的地面上，机器人也能够实现正常运行。
3.2 播种性能试验
为对机器人的田间播种作业效率进行验证，工作人员要对机器人在5 min之内的播种数量，与人工播种数量进行准确对比。可以使用玉米种子开展试验，如果按照播种机构的运行速度、机器人运行速度，那么每分钟能够播种30粒种子，5 min可以播种150粒种子。由此可以判断，机器人运行时，存在精度误差或者不确定性。试验时，138粒种子都能够被机器人播种到土壤中，成功率为92%。相较于人工播种方式，作业效率显著提升，提升了35%。
结语
针对播种机器人系统设计实现与试验，相关负责人要给予更多重视，根据实际需求，进行零部件设计、系统设计、功能设计，通过科学、合理的试验，对机器人的性能、工作效率做出准确判断，为后期阶段机器人的正常运行打下良好基础。
参考文献：
[1]卞杰. 穴盘播种机器人控制的形容词语义分析[J]. 农机化研究,2022,44(10):206-208+217.
[2]张汝航,刘晓义,韩腾飞,等. 一种新型小麦播种机器人的研制[J]. 林业机械与木工设备,2021,49(9):25-30+33.
[3]王影,徐姣姣,刘麒,等. 基于STM32温湿度采集的播种机器人控制系统设计[J]. 吉林化工学院学报,2020,37(11):9-16.
作者单位：山西省农业机械发展中心
http://www.nygcjs.cn/cn/article/doi/10.16815/j.cnki.11-5446/s.2024.11.019
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