基于STM32 的航空发动机模拟调姿控制平台设计与实现*

张 攀，杨佳琦，刘思嘉，宋志军，王自静

（1.中国民航大学航空工程学院，天津 300300；2.天津市天大精益科技有限公司，天津 300350）

近年来，我国民航业得到了长足的发展，由民航大国向民航强国迈进。随着国内航空公司投入运行的飞机数量的增加，造成了飞机维护人员的相对短缺，因此急需采用智能化、自动化程度高的设备来缓解人员紧张所带来的一系列问题[1-4]。以空客和波音为代表的世界顶尖航空装备制造商早就已经采用了基于数字化设计与制造技术的整机自动化装配技术，大大提高了装配的效率和精度[5-7]。随着国产大飞机C919 和支线飞机ARJ21 的相继研制成功，我国通过引进国外先进制造技术并与外国公司合作，已经初步探索出了一个飞机自动化装配模式[8-9]。航空发动机的安装是飞机装配或维修的一项重要工作，但是由于航空发动机体积大、重量大、管路复杂，因此我国民航业目前仍然主要采用传统的航空发动机安装方法[10]。根据其作业方式的不同，可以分为单点吊索式和举升式两种，无论其中哪种方式，都需要大量有经验的人员协同操作，存在操作精度低、所需工时较长的缺点[7]。我国对于航空发动机安装的自动化技术的研究起步较晚，很多的研究成果还未能实际应用到航空公司的实际生产中去，在航空发动机的自动化安装技术方面与西方发达国家还有一定的差距，因此急需对航空发动机安装的自动化技术进行研究，以缩短技术的差距[11]。基于此，本课题提出了基于STM32 单片机的具有较高自动化程度的航空发动机模拟安装平台，并制作出了该平台的模型。

1 航空发动机模拟安装平台的总体设计

1.1 机械结构设计

航空发动机模拟安装平台的整体结构由底盘小车、调姿机构两部分组成。

1）底盘小车采用无动力设计。底盘小车的结构框架为易于加工的标准铝型材； 底盘小车的移动机构为4 个机轮； 底盘小车的转向机构为其后部的2 个万向轮，既能够实现其灵活转向，又能够满足其稳定运行的要求。

2）调姿机构设计直接关系到平台的稳定性以及控制系统的复杂程度。调姿机构的主要功能为调整航空发动机在飞机机舱下的姿态，实现安装过程精准入位。以小车底盘为基准建立笛卡尔坐标系，调姿机构主要实现竖直方向 （沿Z 轴）运动、俯仰（绕X 轴的转动）运动以及滚转 （绕Y 轴的转动）运动。

1.2 调姿运动方式实现

底盘小车4 个角上的4 根铝型材立柱结合丝杠，采用步进电机作为动力机构，实现平台的上下运动。由于采用了4 个独立的电机，故能够通过对其中的一个或者多个电机进行驱动，则该结构能够实现上升、下降、滚转以及俯仰运动。Z 轴方向的运动靠1 号、2 号、3 号、4 号电机的同步转动，从而驱动丝杠来实现。由1 号、2 号电机作为一组，3 号、4 号电机作为另一组进行差速驱动或者反方向驱动，则可实现平台的上升、下降滚转运动或者等高度滚转运动。由2 号、3 号电机作为一组，1 号、4 号电机作为另一组进行差速驱动或者反方向驱动，则可实现俯仰运动。

2 平台的控制系统设计

2.1 电路设计

系统电路设计主要包括STM32 单片机主控电路设计、步进电机驱动电路设计、电源电路设计3 个部分。

1）STM32 单片机主控电路设计。由供电电路、复位电路、时钟电路、调试接口电路、BOOT 启动电路5 个部分组成。

2）步进电机驱动电路设计。驱动步进电机的脉冲电流可以由微控制器来产生，但由于微控制器的电压、电流都较小，无法直接驱动12 V 的步进电机，因此需要设计驱动电路，选择DRV8825 芯片作为驱动芯片，将电流放大用于驱动步进电机。

3）电源电路设计。由于单片机电路采用5 V电压，而步进电机驱动采用12 V 电压，因此在电源方面需要两套电压供电。对于12 V 电压，采取变压器供电的方式，将220 V 电压整流后提供给步进电机。对于单片机，采用将变压后的12 V 电压通过7805 芯片进一步降压为5 V 后使用。

2.2 程序设计

2.2.1 系统程序流程图

首先，进行单片机的初始化，对各功能函数进行初始化； 其次，开始采集陀螺仪数据，将采集的数据与存储的初始数据进行对比，看是否需要姿态初始化； 再次，姿态初始化后，更新陀螺仪数据，进入循环模式，在该模式下等待按键命令； 最后，根据输入的按键命令输出相应的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波，完成姿态的手动调整控制。系统程序流程见图1。

2.2.2 电机控制程序设计

电机控制程序主要分为两部分： 一部分为与MPU6050 陀螺仪结合的姿态初始化算法，用于实现平台的姿态初始化； 另一部分为PWM 波输出和方向调节，与按键扫描程序结合实现姿态的手动调整控制。

图1 系统程序流程图

2.2.3 电机驱动程序设计

首先，在系统开机后进行各子函数初始化； 其次，陀螺仪函数开始运行，将得到的角度数据与初始化数据进行对比；再次，进行姿态解算； 最后，得到每个步进电机需要的工作脉冲数。其工作脉冲数的计算公式方程组为

式中：Mz为1号，2号，3号，4号电机首先需要的工作脉冲数； i为电机减速比；θgyroz为陀螺仪探测到的角度；θgyroz0为规定的初始角度；dPB为滚轴丝杠螺距；Mj为第j个电机需要的工作脉冲数；αangle为姿态解算后得到的角度；αangle0为初始角度。

2.2.4 姿态手动控制程序设计

姿态初始化完成之后，系统进入姿态手动控制状态，此时主要通过按键控制4 个步进电机的正反转来调节。主控电路上一共设计了6 个按键，其中PE0 负责Z 轴的上升运动，PE1 负责Z 轴下降运动，当扫描到这2 个按键中的一个按下时，1 号、2 号、3 号、4 号电机同时同向运动。绕各轴的旋转运动需要切换到旋转模式才能实现。

3 平台的实现与测试

3.1 陀螺仪数据的读取测试

系统采用mpu6050 陀螺仪模块来测量姿态，采用模块自带的数字运动处理器 （Digital Motion Processor，DMP）进行姿态解算，并将其结果在显示屏上显示。

测试时，首先将陀螺仪X 轴与量角器90°处重合，此时屏幕显示角度为0．003°。其次将角度偏离10°～110°，屏幕显示角度为10．834°。陀螺仪测试见图2。

图2 陀螺仪测试示意图

采用同样的方法，进行了另外两组实验，得到的陀螺仪误差测试结果（见表1）。由表1 可知陀螺仪的精度在1°以内，考虑到实际应用情况与传感器误差和视觉误差，陀螺仪的精度可以接受。

表1 陀螺仪误差测试结果 （°）

3.2 平台测试

搭建航空发动机模拟调姿控制平台的实物模型，待设备上电后自动完成初始化程序，然后以姿态初始化为例进行调姿实验，见图3。

图3 调姿实验示意图

由图3 可看出，通过姿态初始化和手动控制电机，航空发动机模拟调姿控制平台可实现所需调姿运动。调姿方法操作简单，可实现系统所需功能。

4 结束语

本文介绍了一种基于STM32 单片机的航空发动机模拟调姿控制平台，设计了该平台的机械结构、控制系统，并制作了模型样机。通过实验测试，基于STM32 单片机的航空发动机模拟调姿控制平台样机可以完成调姿功能，且调姿方法简单、可靠，可见其硬件和软件设计是合理的。航空发动机的智能化、自动化安装是大势所趋，该模型可为民航机务维修专业学生提供实训教学平台。同时，STM32 单片机软件程序用C 语言编写，可以很方便地移植到航空发动机实物的安装平台32 位微处理器系统。该平台方案硬件简洁易实现，软件实现难度小，为后续航空发动机安装平台的进一步研发提供了参考。