杂草对水稻生产危害极大，严重影响水稻的生长与品质，杂草导致中国每年损失上百亿公斤粮食。机械除草凭借改善土壤环境，绿色环保等优点，在众多除草方式中脱颖而出。当前大多数水田除草机械仍需要动力机具挂接或人工手扶作业，导致自动化程度低、劳动强度大、伤苗率高等问题。针对上述问题，本文拟设计一种基于视觉导航的双行水田除草机，具有结构紧凑、节能环保及操作简单等优点。结合东北地区水田除草农艺要求，运用理论分析、图像处理、计算机虚拟仿真、试验设计等方法对基于视觉导航的双行水田除草机展开研究与设计。
　　(1)除草机整机结构设计与分析
　　运用计算机三维建模软件Creo5.0对除草机整机结构进行建模，结合秧苗行间距以及秧苗高度，确定除草机整机结构、工作原理以及关键部件参数。对整机进行静力学分析，以转向轮所受支持力最小为设计目标，得到主动除草轮最大驱动扭矩与转向轮最大转向阻力。根据主动除草轮最大驱动扭矩以及整机作业速度，确定电机具体参数、变速箱传动比、同步带及同步轮型号，完成传动系统的选配。
　　(2)梯形转向机构设计与分析
　　结合阿克曼转向几何与一行秧苗的最大偏转角，利用三角形正余弦定理确定梯形转向机构各边长度以及夹角，验证梯形转向机构符合实际使用要求。在整机右转时，利用图解法求得舵机转角与除草机右轮转角的关系，结合阿克曼转向几何，得到舵机转角与整机转角关系，为实现转向的精确控制提供理论依据，对梯形转向机构的两个极限位置进行静力学分析，解得舵机所需最大扭矩，为舵机的选型提供参考依据。
　　(3)秧苗列信息获取流程
　　运用图像处理技术，围绕畸变矫正、特征提取、图像降噪与苗带拟合对水田秧苗列信息提取过程进行研究。张正友标定法通过检测与计算棋盘角点进行标定，对设备要求低，操作简单，精度高;S通道图像在降维的同时保留了秧苗位置特征满足特征提取要求;通过均值滤波、Otsu二值化与图像腐蚀有效消除了图像中的椒盐噪声，减少计算量。通过试验验证，图像偏转角与实际偏转角偏差的均值为1.11°，每张图片的平均处理时间为0.02s，满足机器视觉导航的实时性要求。
　　(4)除草机控制系统设计
　　分别从上位机与下位机两个方面对控制系统进行研究。在上位机控制系统中，通过建立除草机与除草轮运动模型，确定摄像头安装参数、偏转角阈值以及不同前进速度下的延迟触发时间。为了提高系统的可操作性，开发了GUI人机交互界面。在下位机控制系统中确定了电气元件的控制方式、选型以及各硬件接线，完成了整个控制系统程序编写与硬件选型。
　　(5)除草机性能试验
　　以除草机前进速度作为试验因素，除草率和伤苗率作为试验指标，分别在自动驾驶与手动驾驶模式下进行单因素试验。试验结果表明，在两种驾驶模式下前进速度对除草率的影响显著，随着前进速度的增大，除草率先增加后减小，当前进速度达到0.6m/s时，除草率达到最大值;在两种驾驶模式下前进速度对伤苗率影响显著，在试验水平范围内，随着前进速度的增大，伤苗率也随之增大，但增大速率有减弱的趋势。试验结果表明所设计的双行水田除草机满足农艺要求。