基于田口设计的无人水稻直播机性能优化与验证：提升播种质量与作业效率的创新研究

《Discover Agriculture》：Performance evaluation of Unmanned Drum Seeder (UDR) over Manual Drum Seeder (MDR) using Taguchi design by Minitab

为解决人工滚筒播种机(MDR)存在的作业强度大、播种均匀性差及田间脚印干扰等问题，研究人员开发了基于WiFi通信的无人滚筒播种机(UDR)。通过田口设计优化前进速度(Fs)和滚筒填充水平(DL)，在土槽试验中确定最优参数为Fs=2.5 km·h-1、DL=75%，此时播种量(Sr)=19.28 kg·ha-1、漏播指数(MI)=0%、株距均匀度(Us)=94.42%。田间验证表明，UDR较MDR提升有效作业面积40–65%，年净收益增加14–31%，同时降低操作者劳动强度89–92%。该研究为水稻轻简化播种提供了关键技术支撑。

　　

在水稻生产领域，印度作为全球第二大产稻国，却因机械化水平滞后导致生产效率仅为中国的53.7%。传统人工移栽需消耗200–300人时/公顷，占水稻种植总劳动力的25%，且操作者长期弯腰作业易引发腰背劳损。尽管步行式插秧机一定程度缓解了人力压力，但高昂成本与田间脚印造成的种子聚集问题仍制约其推广。人工滚筒播种机(MDR)虽适合小农户使用，但操作者需在泥泞田中每日行走10–22公里，心率达109–144 bpm，属重体力劳动，且作业速度受限（0.5–1.5 km·h^-1）导致田间效率低下。

为突破上述瓶颈，Komatineni等人在《Discover Agriculture》发表研究，研制出基于物联网的WiFi控制无人滚筒播种机(UDR)，通过田口设计优化作业参数，系统评估其播种性能、经济性与人机工程学效益。

研究采用混合水平田口法，以前进速度(F_s，6水平：0.5–3.0 km·h^-1)和滚筒填充水平(DL，3水平：25–75%)为因子，以播种量(S_r)、株距均匀度(U_s)、漏播指数(M_I)、每穴种子数变异系数(C_v)和穴距(H_s)为响应指标。土槽试验采用涂布3 mm油脂的塑料片模拟泥泞田面，通过油脂带技术记录播种轨迹。田间验证在锡金邦Sajong村进行，土壤为砂壤土（孔隙度50.95–61.06%），水深3 mm，通过远程控制UDR在15–25 m距离内作业。

关键技术创新：

1. 1.
   采用ESP32微控制器构建WiFi通信系统，遥控范围达148.6 m；
2. 2.
   依据CAU-R1稻种物理特性设计滚筒孔穴（直径10 mm，周长31.5 mm）；
3. 3.
   通过BLDC电机（扭矩126 Nm）与蜗轮箱（传动比14:1）实现精准驱控；
4. 4.
   运用田口信噪比与方差分析(ANOVA)确定参数交互效应。

3.1 土槽性能评估

方差分析表明，F_s对C_v、M_I、U_s、H_s和S_r均有显著影响（p<0.05），而DL仅与S_r负相关（r=-0.658）。F_s升高导致离心力增大，使C_v（r=0.876）和M_I（r=0.99）上升，但U_s（r=-0.921）因种子散射加剧而下降。DL对播种均匀性无显著影响，推测因种子尺寸差异和湿度变化削弱了流动稳定性。

3.2 参数优化验证

通过合意函数分析（合意度=0.81），最优参数组合为F_s=2.5 km·h^-1、DL=75%，此时S_r=19.28 kg·ha^-1、M_I=0%、U_s=94.42%、C_v=0.179、H_s=8.803 cm。田间试验结果与土槽数据偏差小于5%，验证了油脂带法的可靠性。

3.3 综合效益对比

UDR将作业速度提升至2.5–3.0 km·h^-1，有效作业效率(EFC)达0.034–0.04 ha·h^-1，较MDR（0.012–0.024 ha·h^-1）提高40–65%。经济分析显示，尽管UDR初始成本（37,623卢比）高于MDR（6,000卢比），但年净收益（6,213–40,816卢比）提升14–31%，投资回收期约0.92–5.01年。人机工程学评估中，UDR操作者平均心率（88–101 bpm）和能耗率（11.5–19.83 kJ·min^-1）显著低于MDR（118–157 bpm，21.77–38.12 kJ·min^-1），劳动强度等级由“重”降至“轻”。

结论与展望

本研究通过机电一体化设计与田口优化，成功开发出适应小田块作业的UDR，解决了MDR存在的播种质量不稳定、劳动强度大等痛点。UDR在保证播种均匀性（U_s>94%）的同时，显著提升了作业效率与经济性，尤其适合丘陵地区水稻生产。未来可通过优化种子流控机制、扩展传感器功能进一步强化其智能农艺适配能力。