农田杂草是农业生产的大敌,严重影响了农作物的生长空间。及时有效地清理田间杂草对提高作物的产量和质量具有重要意义。虽然化学除草剂可以有效地防治杂草危害,但普遍粗放式喷施化学药剂,不仅浪费农药,而且造成了较为严重的环境生态污染。为了提高农药的利用率、减少环境污染,实现杂草变量喷药功能,本文在分析国内外变量喷药技术及其关键技术研究动态的基础上,以玉米田间杂草清理作为研究对象,提出了一套变量喷药除草解决方案。主要研究内容和成果如下:(1)基于机器视觉和模糊-PID复合控制技术设计了一套变量喷药除草系统。系统主要包括杂草信息采集模块、变量喷药控制器和软件监测系统三部分。其中,杂草信息采集模块由GPS差分定位系统、速度传感器、单片机、摄像头和PC计算机构成,用于采集田间杂草的密度和位置信息;变量喷药控制器由微处理器、流量传感器、压力表和电磁阀等构成,用于实现喷药量的实时变量控制功能;软件监测系统用于人机交互功能,可实现系统参数设置和系统工作状态的监测。(2)以尼康D810型单目数码相机实现田间图像采集,并对其安装位置进行了设计。研究分析了图像处理过程中所涉及的多个处理算法,针对采集的田间图像,通过图像算法对比试验确定了合适的图像灰度化算法、适宜的滤波算法和轮廓清晰的阈值分割算法,优化了系统结构、提升系统性能。(3)设计了一套模糊-PID复合控制算法。算法结合了模糊控制和PID控制的优点,以模糊控制良好的非线性和动态性弥补了PID控制的不足,同时以PID控制的良好稳态特性解决了模糊控制在稳态平衡点附近存在控制盲区的问题。仿真试验结果表明,系统阶跃响应效果良好、无超调量,可实现喷药量随杂草密度变化而实时变化的目的,能够有效地消除响应误差。(4)田间试验表明,在作业速度为2km/h时,系统的相对控制误差小于4.5%,满足变量喷药除草设计要求。