水质监测中机械臂控制系统研究
水质污染是全球化重要的环境污染问题，在水质监测中最重要的指标是水体氨氮含量。目前最常用的氨氮监测方法是人工抽样法，该方法存在劳动强度高，检测随机性大，检测周期长等问题。针对人工监测方法存在的问题，本课题设计一种机械臂控制方式完成水质氨氮监测。采用机械臂代替人工完成自动操作，提高操作精度，提高安全稳定性，减少劳动强度。本课题研究的主要内容包括: 1)根据水质氨氮监测的工艺流程，确定系统中机械臂工作流程及控制性能要求。通过机械臂协调控制完成试剂定量抽取、传感器的抓取及自动测量等动作，实现精准控制。 2)建立机械臂运动学和动力学模型，对机械臂控制策略进行研究。采用D-H法建立运动学模型，利用迭代法逆运动学求解，基于拉格朗日方程推导机械臂动力学方程，完成各个关节力或力矩控制。采用关节空间和笛卡尔空间进行轨迹规划，使机械臂能够平滑连续的到达目标位置。并利用MATLAB Robotics工具箱对运动学及动力学进行仿真验证。采用连续控制方式进行机械臂协调控制，在有限的时间内完成水质氨氮监测中机械臂自动化操作，提高运动控制精度。 3)采用无刷直流电机驱动机械臂各个关节运动，并对电机的工作原理、数学模型及运动特性进行分析研究，控制机械臂稳定运动。 4)对机械臂控制系统硬件、软件及算法进行设计。硬件主要包括最小系统模块、电源模块、信号采集模块、电机驱动模块及夹持器等模块设计。软件主要包括系统总体框架、电机控制、夹持器控制及机械臂控制等模块设计。采用模型预测控制算法对机械臂各关节进行控制，实现空间内各个关节运动轨迹跟踪。 本课题针对水质氨氮监测中机械臂协调控制进行了研究，进行了仿真分析验证。通过机械臂操作能够准确高效地完成水质氨氮监测工艺流程，解决了人工监测中劳动强度大、检测随机性大、测量精度低等问题。有效提高我国水质监测自动化水平，对推动我国水资源环境管理自动化具有理论依据和应用价值。
机械臂;控制系统;运动学分析;水质监测
西安工业大学
硕士
控制理论与控制工程
陈忠孝
2019
中文
TP241
2019-09-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）