株间机械除草技术是一种非化学除草技术，能有效除去株间杂草、创造良好的作物生长发育条件，实现作物株间杂草的精确防除，减少化学除草剂的使用，适应食品安全和环境保护的需求。本文主要从株间机械除草装置、除草爪齿避苗控制算法、基于机器视觉的运动中作物定位估算方法和横向偏移补偿控制方法等进行了研究。　　本文的主要研究内容及结论如下：　　1.株间机械除草装置　　以余摆运动理论为基础，设计了基于除草爪齿余摆运动的株间除草装置，采用除草轨道和避苗轨道分别实现了除草爪齿爪尖进入株间区域除草和避让作物。为实现除草轨道和避苗轨道的平顺切换设计了引导式轨道切换机构，引导式轨道切换机构的内侧和外侧分别与除草轨道和避苗轨道相切，保证了除草爪齿除草和避苗两种工作状态之间相互切换平滑稳定。利用双向转角电磁铁实现了引导式轨道切换机构自动切换，采用两个限位传感器检测引导换轨机构是否切换至目标位置和监测引导换轨机构是否受外力被迫运动离开目标位置，并及时控制纠正。沿轨滚动轴承在除草轨道和避苗轨道结合处自动推动自动并轨机构，使其内侧与除草轨道相切或外侧与避苗轨道相切，从而保证除草轨道和避苗轨道平滑结合。　　引导式换轨控制系统性能试验结果表明，当引导式切换机构碰撞到沿轨滚动轴承时所需时间明显长于无阻挡时所需时间，当有阻挡时旋转角速度越快所需时间越小，引导换轨机构从除草轨道转动至避苗轨道所需时间和从避苗轨道转动至除草轨道所需要的时间基本相同，无明显差异，且均能够满足除草爪齿除草状态和避苗状态相互切换要求。　　2.除草爪齿余摆运动模型分析　　根据株间机械除草装置特点给出了装置的简化模型，建立了株间机械除草装置除草爪齿爪尖的运动轨迹方程，提出了除草爪齿余摆运动参数和除草爪齿与土壤接触面宽度的确定方法，推导了速比λ的计算式和除草爪齿与土壤接触面宽度d的计算式。通过分析，基于除草爪齿余摆运动原理的株间除草装置的除草爪齿根数越多，速比λ值越小，也即除草爪齿旋转速度越小。同时随着除草爪齿根数的增加，要求除草爪齿爪尖与土壤接触面宽度变窄。在除草爪齿数量相同情况下，根据速比λ值即可确定且与除草爪齿旋转半径无关，而爪齿旋转半径越小除草爪齿所需的宽度越小。　　利用正交分解方法分析了除草爪齿爪尖所受的土壤阻力，结合除草装置模型，分析了除草爪齿爪尖所受的法向方向分力对轨道、引导式换轨机构和自动并轨机构的作用力变化规律，优化设计了引导式换轨机构和自动并轨机构。　　3.除草爪齿避苗控制算法　　提出了一种基于余摆运动的株间机械除草装置的除草爪齿避苗控制算法。采用基于增量式PID控制算法设计了除草爪齿旋转角速度控制器，以获得稳定的与前进速度相适应的旋转角速度；基于余摆运动的株间机械除草装置的除草爪齿爪尖运动轨迹方程提出了除草爪齿避苗控制算法，得到了避苗判断条件。Matlab软件仿真分析表明，该避苗控制算法能有效控制除草爪齿避让作物；在株距相同时，前进速度的变化不影响株间区域的除草覆盖率，株距越大除草覆盖率越高；初始圆心角γ不影响株间区域的除草覆盖率；随着除草爪齿旋转半径增大，同一株距下进入株间区域除草爪齿的根数减少，甚至会有株间区域无除草爪齿进入，在株距相同情况下，除草爪齿旋转半径越大，除草覆盖率越低。该避苗控制算法的室内试验伤苗率小于8％；能够满足株距20cm及以上栽种的作物株间除草要求，可以保证每个株间区域均有除草爪齿进入实施除草；除草装置的前进速度不影响进入株间区域的除草爪齿数量，但前进速度的增加会导致伤苗率增大；进入株间区域的除草爪齿数量与作物栽种株距均匀性无关，仅与作物栽种的株距有关。　　4.基于机器视觉的运动中作物定位估算方法　　机器视觉传感器安装于除草装置的前方，以除草装置前进的距离作为触发信号获取作物图片。利用作物垂直投影面积大于杂草垂直投影面积的特点设计了快速作物识别方法。建立了基于机器视觉的株间机械除草系统坐标系，将作物定位坐标转换到车体坐标系中，推导出了从图像像素坐标系变换至车体坐标中的转换矩阵。提出了基于株间除草系统前进速度和航向变化角速率的作物在车体坐标系中动态位置估算算法。　　5.横向偏移补偿控制方法　　提出了通过横向偏移误差补偿机构和控制系统实时纠拖拉机在跟踪作物行时由航向偏差导致的株间除草装置中心与作物行中心线的横向偏移误差。阐述了横向偏移补偿的原理，利用最小二乘法根据作物坐标拟合出作物行直线，提出了株间除草装置中心与作物行的横向偏移补偿量计算方法。设计了横向偏移补偿机构和双阈值死区PD补偿控制算法。横移补偿控制器的性能试验结果表明，正弦波信号跟踪最大误差小于1cm，平均误差0.0083cm；三角波信号跟踪最大误差1.1cm，平均误差0.012cm。　　6.试验研究　　在有轨道限制试验平台直线行驶条件下进行了机器视觉定位子系统的定位精度评定试验、避茴控制子系统基于机器视觉作物动态定位信息的避苗控制试验和横向偏移补偿控制子系统横移补偿控制试验。在没有轨道条件下进行了基于机器视觉的株间机械除草试验。　　在有轨道条件下，运动过程中机器视觉定位精度小于3cm。实现了利用机器视觉定位的避苗控制，除草爪齿能有效避让作物，伤苗率在10％以内，验证了作物在车体坐标系中动态定位推算算法的有效性和实用性。除草装置横向偏移补偿控制子系统根据作物位置信息拟合出作物行信息并能控制株间机械除草装置较好跟踪作物行，利用最小二乘法拟合作物行最大误差为1.5cm，平均误差0.15cm，横向移动补偿控制跟踪最大误差为1.6cm，平均误差0.081cm。　　在没有轨道条件下，基于机器视觉的株间机械除草试验结果表明，基于机器视觉的运动中作物定位估算方法可在运动状态下定位推算出作物在车体坐标下的位置。避苗控制系统能根据作物位置信息有效避让作物，伤苗率小于30％。横向偏移补偿控制系统可根据作物位置信息拟合出作物行信息，最大作物行跟踪误差小于5.3cm，平均误差0.26cm。实验验证了基于机器视觉的株间机械除草的可行性和有效性，基于除草爪齿余摆运动的除草装置能够实现作物株间区域杂草控制。