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之一,尤其是株间杂草多为近株杂草,对水稻产量的影响更大。施用化学除草剂可同时除去行-株间杂草,是一种简单高效的稻田杂草防控方式,可是除草剂的大量施用也带来了作物药害、杂草抗药性和环境污染等诸多负面问题。机械除草是一种环境友好型的绿色除草方式,然而由于水田环境的复杂性和水稻密植的农艺特点,避开作物选择性地对株间杂草进行防除是水稻机械除草的最大难点。本文针对水稻株间机械除草的技术难点,从稻株识别与定位技术、株间机械除草装置、除草刀齿-土壤离散元仿真分析、机具作业参数试验优化等方面开展了系统研究。本文主要研究内容及结论如下:（1）进行了基于水稻冠层图像的稻株定位方法研究。根据水田环境特点构建了水稻冠层图像采集系统;分析自然光下亮斑、倒影等因素对稻株识别精度的影响,提出了遮光条件下采集图像的方法。基于超绿特征算法将RGB图像转化为灰度图像,通过Point Filter滤噪后,采用Ostu自动阈值法分割稻株图像;在二值图像中划定检苗区,测算提取完整稻苗所用的连通区域数,识别完整稻株;根据连通区域计算稻株中心,在此基础上提出了基于异点比较的稻株动态定位方法。分别进行了水田土槽试验平台和田间条件下试验,土槽试验结果:在50幅有水图像样本中,稻株中心定位精度为8mm,在50幅无水样本图像中,稻株中心定位精度为9.1mm。田间（机械插秧后12天）条件下试验结果:在50幅田间图像样本中,定位精度为8.6mm;根据稻株茎基部直径划定保护区,定位准确率为90%。试验结果表明,本研究所提出的基于水稻冠层图像的稻株识别和定位方法,其定位精度满足早期（移栽后10天左右）株间机械除草的技术要求。（2）开展了基于茎基部分区边缘拟合的稻株定位方法研究。根据稻穴内稻株群茎基部成束的特点构建了图像采集系统获取稻株茎基部图像,分析得到了侧位俯拍稻株茎基部的相机安装参数。综合运用超绿特征法、自动阈值和形态学操作等方法处理并分割稻株图像;在二值图像中划分稻株茎基部拟合区间,在每个子区间内进行边缘拟合和茎基部中点提取;采用最小二乘法拟合茎基部中线,以中线的中点作为定位中心实现稻株的准确定位。为了测试识别和定位精度,进行了田间对比试验。试验结果表明:在插秧后10～20d内,基于茎基部图像的定位误差均保持在7.0mm以下,10d、15d、20d时的定位误差分别为6.9mm/6.8mm、5.9mm/5.8mm、6.3mm/6.5mm（有水条件/无水条件）;基于冠层图像的定位误差分别为8.2mm/9mm、11.3mm/10.7mm、15.4mm/16.1mm（有水条件/无水条件）;除草期内基于稻株茎基部的定位方法定位准确率均超过94%。试验结果表明:基于茎基部分区边缘拟合的稻株定位方法适用于水稻插秧后10～20d的除草期,满足株间机械除草对稻株定位的精度要求。（3）设计了一种快速响应的气动摆动式水稻避苗除草装置。通过机构运动轨迹分析,优化了杆件机构的设计参数,连杆长度35mm、摆杆长度72.24mm、除草部件到回转中心的水平和垂直距离分别为84mm和191mm。应用Pro/E机构运动分析模块,分别以除草装置前进速度和气缸伸缩速度为因素进行运动学仿真分析,结果表明成功避开稻株的气缸伸缩速度应大于0.25m/s;气缸伸缩速度越大、伤苗几率越低,综合考虑伤苗率和系统的稳定性,气缸伸缩速度合理设置为0.25～0.45m/s。以PLC为控制系统核心,建立了控制系统工作模型,测算系统延迟触发时间和避苗时间,合理设置PLC控制参数完成避苗-除草状态切换。（4）基于离散元法研究了除草刀齿与水田土壤的相互作用过程,优化了刀齿结构;并分析了不同工作参数下刀齿阻力和土壤扰动程度的变化规律。利用离散元分析软件EDEM建立了水田土壤的泥水混合颗粒模型以及除草部件与水田土壤作用的离散元模拟系统;设计不同结构除草刀齿模型并进行与水田土壤相互作用的动力学仿真分析,通过分析相同工作参数下刀齿受力情况和土壤扰动程度,优选出最优的刀齿结构。仿真结果表明:除草刀齿与水田土壤作用时,弯齿刀与直齿刀相比所受土壤阻力更小,能够产生较大的土壤扰动量;较优的结构为10°的弯齿刀,与土壤接触作用时所受阻力为3.12N,土壤的扰动程度较大;通过土槽试验验证得到土壤阻力实测值与仿真值结果一致,仿真结果可靠。分析了最优结构刀齿在不同前进速度和入土深度下刀齿受力情况和土壤扰动程度的变化规律,结果表明:随着除草刀齿前进速度与入土深度的增加,除草刀齿所受阻力和扰动程度都会逐渐增大;入土深度对除草刀齿受力和土壤扰动的影响程度均大于前进速度。（5）采用试验设计优化方法测试了水田实际环境下机具不同工作参数下的株间除草效果。以水田插秧机动力部分为载体,集成视觉定位系统、避苗除草装置、液压纠偏系统、测速系统、控制系统等构建了水稻株间机械除草田间试验平台。选取气缸伸缩速度、机具前进速度和除草深度3个工作参数作为试验因子,以除草率和伤苗率为试验指标,采用三因素五水平二次旋转正交试验设计方法进行了田间试验。试验结果表明:影响除草率显著性的因子依次为除草深度、机具前进速度,气缸伸缩速度对除草率影响较小;影响伤苗率显著性的因子依次为除草深度、机具前进速度和气缸伸缩速度。通过试验优化,得到最佳工作参数为气缸伸缩速度0.45m/s、机具前进速度0.25m/s、除草深度2.5cm。在国家水稻产业技术体系江门综合试验站和肇庆试验站开展水稻株间机械除草性能多点田间试验,田间试验结果表明:除草期内（机械移栽后10～20d）,本文研究的水稻株间除草技术和装置满足株间除草率大于80%,伤苗率小于4%性能要求。