中国是水稻种植大国,种植面积占世界水稻种植面积的20%左右。在稻田生态系统中,杂草是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因。施用化学除草剂是目前应用广泛的一种杂草防除方式,然而化学除草剂的大面积使用带来了诸多负面问题,如杂草抗药性、作物药害、生态环境污染等。随着现代农业的发展,人们对环境保护认识的加强和对食品安全问题的重视,除草剂减量防除技术逐渐发展起来,其中机械中耕除草作为一种无环境污染的除草方式已得到迅速发展。机械中耕除草可分为行间除草与株间除草,其中机械化种植作物行有序且行间无干扰,行间机械除草实施难度较低,因此行间机械除草得到了较大发展。但因机插秧时人为操作等原因,导致秧苗并未完全被插植成一条直线,局部苗带存在弯曲,进行行间机械除草作业时,因苗带的横向偏移,导致局部小范围人为转弯操作难度大,若操作不当会对秧苗造成碾压,进而影响产量。为此本文研制了水田除草机自动避苗控制系统,使除草装置跟随苗带线运动,减少对秧苗的碾压;在土槽中模拟水田环境,测试了苗带线提取算法的精度和控制系统的控制精度;在田间试验条件下,测试自动避苗控制系统对除草机工作性能的影响,其研究内容和结论如下:(1)构建了具有遮光功能的苗带图像采集系统。分析了水田苗带图像采集系统的工作环境和需求,完成了图像采集系统硬件选型;研究了水田环境中,影响图像质量的相关因素,搭建了具有遮光功能的苗带图像采集系统;探究了作物和水田杂草生长特性,得出图像采集应在秧苗分蘖前期与分蘖盛期之间,平均分蘖数约为5时进行较好。(2)研究了基于Hough变换分区边缘拟合的苗带识别与苗带线提取方法。分析了自然环境下,图像中影响苗带识别和苗带线提取的干扰信息,首先选用了超绿算法灰度化图像,接着采用了Ostu自动阈值方法二值化灰度图像,然后对二值图像进行面积滤波,过滤图像噪声,最后进行了孔洞填充,填充苗带内部孔洞,得到苗带二值图像,实现水田自然环境下的苗带识别;在二值图像中,首先运用Canny算子检测苗带边缘,划分拟合区间,然后采用Hough变换直线拟合算法在各个子区间左右两侧进行边缘拟合,计算拟合出的苗带边缘线段中点坐标均值作为子区间苗带中点,最后运用最小二乘法拟合子区间苗带中点,提取出苗带线。进行了苗带线提取试验,结果显示:顺时针偏转苗带的提取精度为0.945°,逆时针偏转苗带的提取精度为0.896°,图像处理速度为0.4s/幅。(3)根据水田除草机工作模型,研制了基于PID控制的自动避苗控制系统。分析自动避苗的控制需求与系统工作条件,设计了以可编程控制器PLC为控制核心,霍尔测速传感器、按钮开关等电气元件为外围设备的控制系统。研究相机安装位姿,构建视觉系统坐标系,建立了苗带偏转模型;解析苗带与除草轮工作模型,设置了苗带偏转角度阈值为4°,同时设置了系统延迟触发时间与上位输出通道。研究除草机前进速度与延迟触发时间之间的对应关系,设计出了基于PID控制的自动避苗控制系统。进行控制系统控制精度测试,试验结果显示:控制系统控制偏转的标准差小于1.5°,控制精度(均方根误差)小于1.5°。(4)进行水田除草机自动避苗控制系统田间试验,分析了控制系统对除草机工作性能的影响规律。进行了水田除草机自动避苗控制系统的田间试验,测试自动避苗控制系统对除草机工作性能的影响。田间试验以除草机前进速度为试验因素,伤苗率为试验指标,进行单元线性回归整体正交试验。试验结果显示:1、控制系统安装前、后,除草机平均伤苗率分别为6.76%、6.03%,且安装控制系统后,较高前进速度下,除草机伤苗率有所降低;2、控制系统安装前,速度对伤苗率影响的显著性水平为0.05,控制系统安装后,速度对伤苗率影响的显著性水平为0.10;3、分析得到控制系统安装前后,速度与伤苗率的回归方程。