开发背景：

我国高度重视农业现代化，将其视为全面建设社会主义现代化国家的重大任务。国内外已经研发出多种株间除草机械，如全天候激光智能除草机器人、爪齿式苗间除草机、RX系列弹性齿式除草机等。

目前杂草对农作物的危害仍然严重，而大部分青壮年已经离开农田，老年人采用人工除草或喷洒化学药剂的方式效率低下且容易破坏土壤结构。

结构说明：

本产品的硬件系统主要包含四个部分，分别为电源模块、主控模块、行走机构驱动模块、除草机构驱动模块。电源模块为除草机器人各模块的运行提供能源，主控模块控制其余各模块的运行，行走机构驱动模块用于驱动和控制腿部结构的4个直流减速电机，使机器人具备行走能力，除草机构驱动模块用于控制刀头进行杂草清除。

功能与使用说明：

本产品采用Opencv视觉自动识别杂草，通过Python、Arduino等编程程序实现产品的自主运行；本产品除草模块为可拆卸刀头，可针对不同类型的杂草，改变不同的刀头，实现一机多用；本产品行走模块采用轮腿式，可根据不同的地形，采用IMU姿态控制，随意切换全肘式、前肘后膝式、全膝式、前膝后肘式，实现全地形平稳除草。

设计原理：

2.物理刀头除草：除草机器人的除草刀头是其核心部件之一，负责实际的割草或除草工作。本除草机器人的除草装置采用铝合金材料制成，增加了硬度和耐磨性，适用于切割根部较为坚硬的杂草，除草装置可拆卸，可针对不同类型的杂草更换相应刀头，实现一机多用。

3.轮腿式结构适应地形：轮式和腿式相结合，在较为平整的道路和田地里上，采用轮式进行快速的机动和田间除草作业。面对较为复杂的地形，可随意切换全肘式、前肘后膝式、全膝式、前膝后肘式。全肘式，基于IMU姿态控制，以适应不同地形，从而大大减少地形对除草机器人运动的限制。面对不同地形采取不同的模式，在提升续航能力的同时，可以更加高效的完成田间作业。

设计方案

1.机械结构设计：本产品采用了轮腿式的机械结构，结合了轮式和腿式机器人的性能优点,不仅具备轮式机器人的平稳高效的运行特点,还具备腿式机器人的灵活的越障能力，可以适应多种地形。

2.控制系统设计：控制系统是除草机器人的大脑，负责处理传感器数据、决策行动路径以及控制机器人运动。本产品采用嵌入式控制系统，结合实时操作系统，实现对机器人运动的精确控制。

3.除草结构设计:本产品除草部分是基于直流电动机控制刀头除草的物理除草方式，共有4个自由度，可以360度除草，实现高效率除草。

4.能源管理设计：考虑到除草机器人可能需要长时间工作，本产品设计了一种高效的能源管理系统。该系统采用大容量锂电池作为动力源，同时引入了节能控制策略，如动态调整电机转速等，以延长机器人的续航时间。
         5.软件程序应用：除草机器人的控制系统需要开发相应的软件程序，包括路径规划、杂草识别、避障算法等，本产品基于Python、Arduino等程序以实现机器人的智能化作业。

实用性：

1.本产品轮腿式除草机器人结合了轮式移动和腿式运动的优点，能够在多变的农田环境中实现高效率的作业。

2.本产品集成了先进的机器视觉技术和算法，能够精确地识别杂草和作物，再利用360度全方位的除草刀头，实现智能化除草，大大超过了人工除草的效率。

3.本产品采用了刀头除草的物理方法来去除杂草，避免了化学除草剂的使用，有助于保护环境和提高农产品的质量，符合绿色发展和可持续发展的理念。

4.本产品电耗损量远小于普通除草机器人，可以长时间作业。

灵活性：

1.在处理芦苇、藤本植物、小细灌木等不同品种杂草时，需要使用不同的刀头。本产品刀头结构可拆卸，可根据除草需求更换锯齿状刀头、打草头、方形刀头、三齿刀头等，一机多用，增强了产品的灵活性，大大优化了除草效率与成本。

2.本产品采用四足轮腿结构，更好的增加了机器人在复杂田间作业的稳定性和可靠性,而且轮腿结构可以根据土坑、坡起等不同地形改变自身的姿态，以更好的适应复杂地形。

创新性：

1.OpenCV视觉识别作为除草机导航工作的信息来源，工作时使用摄像头实时采集图像，将图片信息处理之后传输给驱动控制模块，为除草机后续行走提供导航参数，以完善田间无人自动化工作，减轻操作人员工作强度，解放劳动力并实现智慧农业精细化工作。

2.本产品基于IMU的姿态控制来使轮腿式四足机器人，该控制策略能够有效保证轮腿式机器人在发生绕y轴俯仰时的姿态平衡性。由轮腿式除草机器人采取基于IMU的姿态控制通过斜坡时的实时位置图，可以看出轮腿式四足机器人无论是在平地、上坡、还是下坡上身始终与地面平行。