Nghiên cứu và chế tạo mẫu robot tự hành chuyên biệt cho canh tác lúa nước

doi.org/10.64588/jc.01.04.2026

Ngày nhận bài: 19/01/2026; ngày sửa bài: 16/02/2026; ngày chấp nhận đăng: 26/02/2026

Tóm tắt

Canh tác lúa nước đang chịu áp lực lớn do thiếu hụt lao động, chi phí vật tư gia tăng và yêu cầu giám sát sâu bệnh kịp thời. Robot tự hành tích hợp trí tuệ nhân tạo và kết nối vạn vật (AIoT) được xem là một hướng tiếp cận tiềm năng cho tự động hóa canh tác; tuy nhiên, điều kiện ruộng lúa với nền bùn mềm, ngập nước và môi trường quan sát biến thiên mạnh đặt ra nhiều thách thức cho khả năng di chuyển và vận hành ổn định.

Bài báo trình bày nghiên cứu và chế tạo một mẫu robot tự hành chuyên biệt cho canh tác lúa nước, trong đó kết cấu cơ khí, hệ thống điện tử và kiến trúc điều khiển được thiết kế đồng bộ. Robot sử dụng cấu hình hai bánh chủ động kết hợp hai bánh phụ dạng cầu và được kiểm chứng thông qua thử nghiệm thực địa với mực nước 2 - 5 cm và độ sâu lớp bùn 10 - 25 cm. Kết quả cho thấy robot đạt tốc độ di chuyển trung bình 0,25 m/s, độ lún bánh trung bình 39,6 mm và duy trì vận hành ổn định khi độ lún nhỏ hơn 45 mm. Các kết quả này khẳng định tính phù hợp của mẫu robot đối với điều kiện canh tác lúa nước và tạo nền tảng cho việc tích hợp các chức năng giám sát thông minh dựa trên AIoT trong tương lai.

Từ khóa: Robot tự hành; canh tác lúa nước; thiết kế cơ khí; hệ thống điều khiển phân tầng.

Abstract

Paddy rice cultivation is facing increasing pressure due to labor shortages, rising input costs, and the need for timely pest and disease monitoring. Autonomous robots integrating artificial intelligence and the Internet of Things (AIoT) are considered a promising approach for agricultural automation; however, paddy field conditions characterized by soft muddy terrain, shallow flooding, and highly variable visual environments pose significant challenges to mobility and stable operation.

This paper presents the research and fabrication of a specialized autonomous robot prototype for paddy rice cultivation, in which the mechanical structure, electronic system, and control architecture are coherently designed. The robot adopts a locomotion configuration consisting of two driven wheels combined with two passive caster wheels and is validated through field experiments conducted under water depths of 2 - 5 cm and mud depths of 10 - 25 cm. Experimental results show that the robot achieves an average traveling speed of 0,25 m/s, an average wheel sinkage of 39,6 mm, and maintains stable operation when the sinkage remains below 45 mm. These results confirm the suitability of the proposed robot for paddy rice cultivation and provide a foundation for the future integration of AIoT-based intelligent monitoring functions.

Keywords: Autonomous robot; paddy rice cultivation; mechanical design; hierarchical control system.

1. Đặt vấn đề

Trong bối cảnh nông nghiệp hiện đại, canh tác lúa nước đang đối mặt với nhiều thách thức do thiếu hụt lao động, chi phí sản xuất gia tăng và yêu cầu ngày càng cao về giám sát sinh trưởng cũng như phát hiện sớm sâu bệnh. Tự động hóa và ứng dụng robot di động được xem là một trong những giải pháp quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả canh tác và giảm phụ thuộc vào lao động thủ công [1], [2]. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống robot nông nghiệp hiện nay được phát triển cho môi trường khô hoặc bán cấu trúc như nhà kính và vườn cây ăn quả, nơi điều kiện mặt đất tương đối ổn định.

Đối với canh tác lúa nước, môi trường vận hành của robot có những đặc thù riêng biệt, bao gồm nền bùn mềm, lớp nước nông phủ bề mặt và sự biến thiên mạnh của tính chất cơ học đất theo không gian và thời gian. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng di chuyển, độ ổn định và mức tiêu thụ năng lượng của robot di động [3], [4]. Do đó, việc phát triển robot cho ruộng lúa nước không chỉ là bài toán về thuật toán điều khiển hay xử lý thông tin, mà trước hết là bài toán thiết kế kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển phù hợp với điều kiện thực địa.

Song song với đó, xu hướng AIoT trong nông nghiệp thông minh mở ra khả năng kết nối robot với hạ tầng thu thập và phân tích dữ liệu phục vụ giám sát và hỗ trợ ra quyết định [5], [6]. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng nếu nền tảng cơ khí và điều khiển không đủ ổn định, việc tích hợp các chức năng AIoT khó mang lại hiệu quả thực tiễn trong môi trường ruộng lúa nước. Điều này đặt ra yêu cầu cần có những mẫu robot được thiết kế và chế tạo với sự thống nhất chặt chẽ giữa cơ khí, điện tử và điều khiển, làm nền tảng cho các ứng dụng canh tác thông minh.

Trên cơ sở đó, bài báo này trình bày nghiên cứu và chế tạo một mẫu robot tự hành chuyên biệt, có khả năng tích hợp các mô-đun công tác nhằm thực hiện một số công đoạn trong canh tác lúa nước như cấy lúa, bón phân, thu thập dữ liệu hình ảnh - môi trường phục vụ phân tích sâu bệnh và giám sát sinh trưởng. Trọng tâm nghiên cứu tập trung vào thiết kế kết cấu cơ khí, hệ thống điện tử và kiến trúc điều khiển đồng bộ, được kiểm chứng thông qua các thử nghiệm thực địa trong điều kiện ruộng lúa nước điển hình.

2. Tổng quan nghiên cứu

Robot nông nghiệp tự hành đã được nghiên cứu rộng rãi nhằm tự động hóa các hoạt động canh tác và giám sát cây trồng. Nhiều công trình đã chứng minh hiệu quả của robot di động trong các môi trường có cấu trúc ổn định, đặc biệt là nhà kính và trang trại cây ăn quả [1], [2]. Tuy nhiên, các kết quả này khó áp dụng trực tiếp cho ruộng lúa nước do sự khác biệt lớn về điều kiện nền đất và môi trường vận hành.

Đối với ruộng lúa nước, một số nghiên cứu đã tập trung phát triển các robot chuyên dụng với các giải pháp cơ khí như bánh lồng, bánh có gờ lớn hoặc hệ thống xích nhằm cải thiện khả năng bám và giảm lún trong nền bùn mềm [3], [4]. Các nghiên cứu này cho thấy vai trò quan trọng của thiết kế cơ khí trong việc đảm bảo khả năng di chuyển của robot. Tuy nhiên, nhiều hệ thống vẫn còn hạn chế về độ ổn định, hiệu quả năng lượng hoặc tính đơn giản trong chế tạo và bảo trì.

Về mặt lý thuyết, các mô hình tương tác bánh - đất, điển hình là các mô hình Bekker-Wong-Reece, được sử dụng để mô tả tương tác bánh - đất và dự báo độ lún cũng như lực kéo của phương tiện di động [7], [8]. Mặc dù các mô hình này cung cấp cơ sở phân tích quan trọng, việc xác định chính xác các tham số trong điều kiện ruộng lúa nước gặp nhiều khó khăn do tính không đồng nhất và biến thiên mạnh của nền bùn. Do đó, các nghiên cứu gần đây nhấn mạnh sự cần thiết của thử nghiệm thực địa lặp lại để đánh giá khả năng vận hành của robot trong điều kiện thực tế [9].

Trong bối cảnh phát triển nông nghiệp thông minh, AIoT được xem là hướng tiếp cận tiềm năng nhằm kết nối robot với các hệ thống thu thập và phân tích dữ liệu quy mô lớn [5], [6]. Các mô hình trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là thị giác máy tính, đã được ứng dụng trong giám sát cây trồng và phát hiện sâu bệnh. Tuy nhiên, hiệu quả của các hệ thống này phụ thuộc lớn vào chất lượng và tính ổn định của nền tảng robot mang cảm biến. Điều này cho thấy khoảng trống nghiên cứu vẫn tồn tại trong việc phát triển các mẫu robot ruộng lúa nước có kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển đủ ổn định, làm nền tảng cho các ứng dụng AIoT. Tại Việt Nam, ứng dụng robot tự hành trong nông nghiệp được xác định là hướng đi chiến lược trong các chương trình quốc gia về khoa học và công nghệ [10].

Từ các phân tích trên, có thể thấy rằng việc nghiên cứu và chế tạo một mẫu robot tự hành chuyên biệt cho canh tác lúa nước, với sự tích hợp đồng bộ giữa cơ khí, điện tử và điều khiển, vẫn là một bài toán có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.

3. Thiết kế và chế tạo mẫu robot tự hành

3.1. Định hướng thiết kế tổng thể

Mẫu robot được thiết kế theo hướng chuyên biệt cho canh tác lúa nước, trong đó các yêu cầu chính bao gồm: (i) giảm lún và hạn chế trượt bánh trên nền bùn mềm; (ii) đảm bảo ổn định chuyển động trong điều kiện ngập nước nông; (iii) kết cấu cơ khí đơn giản, bền vững và thuận tiện cho bảo trì; và (iv) sẵn sàng tích hợp các mô-đun cảm biến và chức năng giám sát theo hướng AIoT trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Trên cơ sở các định hướng này, kiến trúc tổng thể của mẫu robot được xây dựng như trên Hình 1. Trong giai đoạn đầu, robot được điều khiển và giám sát từ xa thông qua kênh truyền RF nhằm đảm bảo độ tin cậy trong điều kiện kết nối hạ tầng viễn thông hạn chế tại ruộng lúa. Trong các giai đoạn phát triển tiếp theo, hệ thống được định hướng mở rộng sang kết nối 4G/5G để phục vụ giám sát từ xa và tích hợp các chức năng AIoT ở mức cao hơn.

3.2. Thiết kế kết cấu cơ khí

Robot sử dụng cấu hình hai bánh chủ động kết hợp hai bánh phụ dạng cầu. Hai bánh chủ động đảm nhiệm lực kéo và điều khiển hướng theo nguyên lý chênh lệch vận tốc hai bánh (differential drive), phù hợp với yêu cầu quay đầu trong không gian hẹp và giảm độ phức tạp cơ khí Hình 2. Hai bánh phụ dạng cầu đóng vai trò ổn định thân robot theo phương ngang và giảm dao động khi robot đi qua các vùng bùn có độ cứng không đồng nhất. So với các phương án sử dụng hệ thống xích hoặc bánh lồng, cấu hình đề xuất có lợi thế về tính gọn nhẹ, tổn thất truyền động thấp và dễ bảo trì, đồng thời vẫn đáp ứng khả năng di chuyển trong điều kiện ruộng bùn lầy ở dải vận tốc vận hành mục tiêu.

Trong môi trường ruộng lúa nước, lún bánh và trượt không chỉ làm giảm hiệu suất di chuyển mà còn gây rung lắc, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định điều khiển và chất lượng ảnh thu nhận. Vì vậy, cấu hình bánh và bố trí tải trọng được tối ưu theo hướng hạn chế tăng áp suất tiếp xúc lên nền bùn. Xét theo ước lượng sơ bộ, áp suất tiếp xúc trung bình có thể biểu diễn bởi:

(1)

Trong đó,  là trọng lượng robot và  là diện tích tiếp xúc hiệu dụng giữa bánh xe và nền. Trên cơ sở đó, thiết kế ưu tiên giảm trọng lượng không cần thiết và phân bố khối lượng hợp lý nhằm tránh tập trung tải lên một vùng nhỏ, qua đó giảm nguy cơ lún sâu cục bộ trong quá trình hoạt động.

So với thiết kế bánh trụ truyền thống, bánh cầu giảm ràng buộc hướng di chuyển và lực cản không mong muốn, hạn chế xoắn thân khi quay đầu. Cấu hình này góp phần giảm dao động thân và rung ngang, đặc biệt khi robot tăng/giảm tốc hoặc đi qua nền bùn biến thiên, từ đó nâng cao độ ổn định của robot.

Khung robot được thiết kế dạng mô-đun với các cụm chức năng chính (nguồn, điều khiển, truyền động, pin…) được bố trí tập trung và hạ thấp trọng tâm. Cụm pin và các phần tử nặng được đặt ở vị trí thấp và gần trục đối xứng để cải thiện ổn định khi robot tăng tốc, giảm tốc hoặc quay đầu. Bố trí này cũng giúp giảm dao động theo phương lắc ngang, đặc biệt trong trường hợp bánh chủ động đi qua vùng bùn mềm cục bộ gây mất cân bằng tạm thời.

Bên cạnh hệ thống di chuyển, robot được thiết kế theo hướng mô-đun hóa, cho phép gắn các mô-đun công tác như cấy lúa hoặc bón phân. Các mô-đun được điều khiển đồng bộ với trạng thái chuyển động của robot, đảm bảo sự phù hợp giữa tốc độ di chuyển và tốc độ thao tác. Cách tiếp cận này giúp duy trì tính nhất quán trong vận hành, đồng thời tăng tính linh hoạt khi tích hợp các mô-đun khác nhau phục vụ các nhiệm vụ canh tác. Hình 3, Hình 4 minh họa ví dụ tích hợp mô-đun cấy lúa, bón phân trên nền tảng robot.

Từ góc độ vận hành ruộng lúa nước, thiết kế cơ khí hướng tới việc duy trì ổn định ở dải vận tốc làm việc trung bình, đồng thời đảm bảo khả năng quay đầu và di chuyển qua các đoạn nền bùn thay đổi. Các yếu tố như độ cứng vững khung, khả năng chịu nước của kết cấu và độ bền liên kết cơ khí được xem xét để đáp ứng điều kiện làm việc ngoài trời. Các đánh giá định lượng về tốc độ di chuyển, độ lún bánh và tính ổn định vận hành sẽ được trình bày trong phần thử nghiệm thực địa.

3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát

Hệ thống điều khiển và giám sát của mẫu robot được thiết kế đồng bộ với kết cấu cơ khí, nhằm đảm bảo khả năng vận hành ổn định trong điều kiện ruộng lúa nước và sẵn sàng mở rộng chức năng trong các giai đoạn phát triển tiếp theo Hình 5.

Trọng tâm của thiết kế là phân tách rõ ràng giữa các khối chức năng, đồng thời duy trì cấu trúc đơn giản và tin cậy, phù hợp với môi trường làm việc ngoài trời. Bộ điều khiển trung tâm của robot bao gồm máy tính nhúng và vi điều khiển, được bố trí trong cùng một khối điều khiển. Máy tính nhúng đảm nhiệm các tác vụ xử lý dữ liệu mức cao như tiếp nhận thông tin từ camera, GPS/RTK và các cảm biến môi trường; điều hướng và quản lý trạng thái hoạt động của hệ thống. Vi điều khiển chịu trách nhiệm thực hiện các tác vụ điều khiển thời gian thực, bao gồm phát lệnh vận tốc, điều khiển động cơ và giám sát trạng thái chấp hành.

Robot sử dụng nguồn pin lithium 24 V làm nguồn cung cấp chính cho toàn bộ hệ thống. Điện áp được phân phối tới các khối chức năng thông qua các mạch hạ áp nhằm đáp ứng yêu cầu điện áp khác nhau của máy tính nhúng, vi điều khiển, cảm biến và mạch công suất. Hệ thống được tích hợp nguồn năng lượng mặt trời để hỗ trợ sạc pin và kéo dài thời gian hoạt động. Việc kết hợp nhiều nguồn năng lượng cho phép robot duy trì vận hành trong điều kiện ruộng lúa nước, nơi việc thay pin hoặc sạc lại gặp nhiều hạn chế.

3.4. Điều hướng cơ bản bằng GPS/RTK

Trong các nhiệm vụ yêu cầu di chuyển theo quỹ đạo định trước, robot sử dụng phương pháp điều hướng dựa trên GPS/RTK nhằm đảm bảo tính lặp lại và độ chính xác vị trí trong môi trường ruộng lúa nước. Tại mỗi thời điểm, vị trí và hướng chuyển động của robot được xác định từ tín hiệu GPS/RTK, IMU và so sánh với quỹ đạo tham chiếu đã thiết lập trước. Sai lệch vị trí ngang và sai lệch hướng được sử dụng làm đầu vào cho bộ điều khiển, từ đó sinh ra lệnh vận tốc tuyến tính và vận tốc góc cho hệ chấp hành. Trong phạm vi nghiên cứu này, bộ điều khiển PID được áp dụng để hiệu chỉnh sai lệch và đảm bảo robot bám quỹ đạo ổn định ở dải vận tốc làm việc. Các đánh giá định lượng về độ chính xác bám quỹ đạo sẽ được trình bày trong phần thử nghiệm thực địa.

4. Thực nghiệm và kết quả

Sau khi hoàn thiện quá trình chế tạo và tích hợp các thành phần cơ khí, điện tử và điều khiển, mẫu robot được triển khai thử nghiệm trong điều kiện ruộng lúa nước thực tế. Hình 6 minh họa robot trong quá trình vận hành ngoài đồng ruộng, trong khi Hình 7 thể hiện hệ thống điều khiển được tích hợp trên robot.

Các thử nghiệm được tiến hành trong điều kiện ruộng lúa nước thực tế nhằm đánh giá khả năng vận hành của mẫu robot tự hành đã được chế tạo. Môi trường thử nghiệm bao gồm ruộng lúa có mực nước dao động trong khoảng 2 - 5 cm và độ sâu lớp bùn từ 10 - 25 cm, phản ánh các điều kiện canh tác phổ biến trong sản xuất lúa nước. Robot được vận hành theo các quỹ đạo định trước với chế độ tự hành dựa trên dữ liệu GPS/RTK, kết hợp giám sát từ xa để ghi nhận các thông số vận hành.

Tổng cộng hơn 250 lượt thử nghiệm được thực hiện nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy thống kê của các kết quả. Trong quá trình thử nghiệm, các thông số chính được ghi nhận bao gồm tốc độ di chuyển, độ lún bánh xe, độ ổn định chuyển động và thời gian hoạt động liên tục của robot. Kết quả thử nghiệm thể hiện tại Bảng 1, Hình 8, Hình 9.

Bảng 1. Kết quả thử nghiệm robot thực tế.

Từ các kết quả thử nghiệm thực địa, có thể nhận thấy rằng mẫu robot tự hành được chế tạo đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành trong điều kiện ruộng lúa nước điển hình. Các chỉ tiêu về tốc độ di chuyển, độ lún bánh và thời gian hoạt động cho thấy sự phù hợp của thiết kế kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển đã đề xuất.

Đặc biệt, việc xác định được dải vận tốc làm việc ổn định và ngưỡng độ lún cho phép cung cấp cơ sở thực tiễn quan trọng cho vận hành robot trong các công đoạn canh tác lúa nước. Những kết quả này đồng thời tạo tiền đề cho việc tích hợp các mô-đun công tác và chức năng giám sát thông minh trong các nghiên cứu tiếp theo.

5. Kết luận

Bài báo đã trình bày nghiên cứu và chế tạo một mẫu robot tự hành chuyên biệt cho canh tác lúa nước, với sự thống nhất giữa thiết kế kết cấu cơ khí, hệ thống điện tử và kiến trúc điều khiển. Mẫu robot được thiết kế nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc thù của môi trường ruộng lúa nước, bao gồm nền bùn mềm, mực nước nông và điều kiện vận hành ngoài trời biến động.

Các thử nghiệm thực địa cho thấy robot có khả năng di chuyển ổn định trong điều kiện ruộng lúa nước điển hình, với tốc độ vận hành trung bình khoảng 0,25 m/s và độ lún bánh trung bình 39,6 mm. Robot duy trì khả năng vận hành an toàn khi độ lún nhỏ hơn 45 mm, đồng thời đạt thời gian hoạt động phù hợp cho các nhiệm vụ giám sát và canh tác cơ bản. Những kết quả này khẳng định tính phù hợp của kết cấu cơ khí và cấu hình di chuyển đã được lựa chọn.

Bên cạnh đó, kiến trúc điều khiển và hệ thống điện tử được thiết kế theo hướng đơn giản, tin cậy và sẵn sàng mở rộng, tạo nền tảng cho việc tích hợp các mô-đun công tác và chức năng giám sát theo hướng AIoT trong các giai đoạn phát triển tiếp theo. Các hướng nghiên cứu tương lai sẽ tập trung vào đánh giá dài hạn theo mùa vụ, tối ưu hóa thiết kế bánh và phân bố tải trọng, cũng như hoàn thiện khả năng tích hợp các mô-đun công tác phục vụ canh tác lúa nước.

TAI LIỆU THAM KHẢO

[1]. S. Blackmore, B. Stout, M. Wang, and B. Runov, “Robotic agriculture – The future of agricultural mechanisation?” in Proc. 5th European Conf. Precision Agriculture, Uppsala, Sweden, pp. 621-628, 2005.

[2]. J. Bac, A. J. Van Henten, J. Hemming, and E. J. Van Tuijl, “Performance evaluation of a harvesting robot for sweet pepper,” Journal of Field Robotics, vol. 31, no. 1, pp. 33-51, doi: 10.1002/rob.21451, 2014.

[3]. L. Tian, Y. Zhang, and H. Wang, “Design and experiment of a self-propelled system for paddy field operation,” Engenharia Agrícola, vol. 42, no. 3, pp. 1 - 12, 2022.

[4]. M. Taufiq, A. Widodo, and S. Nugroho, “Experimental study of traction performance of lugged wheels in paddy fields,” Journal of Terramechanics, vol. 95, pp. 45-54, doi: 10.1016/j.jterra.2021.01.004, 2021.

[5]. A. Kamilaris, A. Kartakoullis, and F. X. Prenafeta-Boldú, “A review on the practice of big data analysis in agriculture,” Computers and Electronics in Agriculture, vol. 143, pp. 23-37, doi: 10.1016/j.compag.2017.09.037, 2017.

[6]. L. Ruiz-Garcia, L. Lunadei, P. Barreiro, and J. I. Robla, “A review of wireless sensor technologies and applications in agriculture and food industry,” Sensors, vol. 9, no. 6, pp. 4728-4750, doi: 10.3390/s90604728, 2009.

[7]. J. Y. Wong, Theory of Ground Vehicles, 4th ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2008.

[8]. R. He, M. Li, M. Zha, and Y. Gao, “Review of terramechanics models and their applicability to vehicle-terrain interaction,” Journal of Terramechanics, vol. 83, pp. 1-14, doi: 10.1016/j.jterra.2019.02.001, 2019.

[9]. T. Tu, H. Li, and J. Chen, “Measurement and modeling of wheel sinkage depth in paddy fields,” Soil and Tillage Research, vol. 236, 2025.

[10]. Quyết định số 2815/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, Chương trình khoa học, công nghệ và đổi mới sáng tạo quốc gia phát triển sản phẩm công nghệ chiến lược ưu tiên triển khai ngay, 2025.