随着机械化农业高速发展,而我国农机自动化水平还比较低,极大降低了农业生产效率。我国土地管理是合作与承包制相结合经营模式,但大多数农户不愿参与其中,常选择独自经营,呈现出农田规模较小及不适合大型农机实地操控等局面,致使小型农机的应用是必然趋势,但小型农机大多需人工操作,极大增强了农民的劳动和操作难度,由于田地行间距宽窄不一,农机体积与田地行间距存在不相匹配,导致行间作业时碾压农作物,造成不可避免的浪费。针对农机行间作业问题,本研究设计一款电动双轮自平衡除草机。该农机由于前后双轮结构机身较窄和构造简单,有效避免传统电动除草机与行间距不相匹配的问题,适合用于田间除草作业,其重量更轻,对土壤压实度和破坏也更小,且该装备具有自动调平功能,大大减轻了农户劳作难度。本文主要研究内容和成果如下:（1）依据装备平衡原理及作业工况研究。通过陀螺平衡原理分析可知陀螺进动时产生的力矩大小与转子转动惯量、进动角速度和自转角速度有关。基于该原理设计了一款电动双轮自平衡除草农机装备,首先对装备结构进行设计,依据除草作业所需求牵引选择了额定功率、电压、转速分别为7 W、3 V、50 r/min的进动电机,260 W、12 V、20640 r/min的自转电机、250 W、36 V、500 r/min的轮毂电机以及额定容量为30 A·h的动力电池。（2）经装备动力学分析及拉格朗日方程和欧拉矩阵等方法建立自平衡除草农机动力学模型,利用SOLIDWORKS建立装备的三维模型,装备机身重心坐标为（0.57,0,0.32）,机身转动惯量和转动惯量积Ibxx、Ibyy、Ibzz、Ibxz分别为3.79 kg·m~2、17.81 kg·m~2、14.32 kg·m~2、5.41 kg·m~2,后轮的转动惯量Irxx、Iryy、Irzz分别为0.08 kg·m~2、3.0 kg·m~2、2.93 kg·m~2,前轮的转动惯量和转动惯量积为Itxx、Ityy、Itzz、Itxz为0.04 kg·m~2、0.07 kg·m~2、0.04 kg·m~2、0.23 kg·m~2。经动力学模型验证分析显示,该装备具有较好的可观性,稳定性和可控性。（3）基于模糊PID控制和进动回零补偿算法设计了自平衡模型,并在MATLAB中进行仿真实验。结果显示,在没有进动补偿时,电动自平衡牵引系统的陀螺会保持一个较大的进动角,同时牵引系统抗干扰能力相对较低;当进动角过大时,会造成陀螺失效,影响电动自平衡牵引系统的平衡控制;加入进动角补偿后,电动自平衡牵引系统进动角会下降至所设的补偿边界10°左右,下降速度与进动角补偿系数呈正相关,在转向角转向30°时,机身横滚角会有一定倾斜但最终逐渐稳定在0.5°附近。（4）基于控制算法设计了以STM32F103VET6为处理器的装备控制器。该控制器辅以控制算法及MPU9250、L298N、角度传感器和超声波测距传感器,实现对电动双轮除草机在作业时的机身平衡、速度调节和转向控制,并对轮毂电机和动力电池组选型进行验证。结果显示,该控制器可实现装备实地作业的平衡、牵引和转向功能,且所选的电机与电池组满足作业需求。