Фокусер для телескопа своими руками

Разработка Электрофокусера на базе отладочной платы Arduino Uno, часть 1

Постановка задачи

Имеется любительский телескоп с простым механическим фокусировочным устройством. Фокусировка осуществляется методом вращения колеса фокусера. Процедура фокусировки (особенно для целей астрофотографии) получается весьма мучительной (даже с использованием маски Павла Бахтинова и спец. ПО оценки точности фокусировки типа DSLRFocus или BackyardEOS), так как:

• Очень сложно приложить рукой нужное усилие и повернуть колесо на действительно маленький угол при точной фокусировке;
• Каждое касание фокусировочного устройства вызывает колебания телескопа, что приводит к потере времени на ожидание, пока колебания утихнут и можно будет оценить результат последней итерации (и чем хуже монтировка, тем этот интервал дольше, автор имел удовольствие работать с монтировкой, где период полного затухания был

20 секундам);

Описанные выше особенности процесса фокусировки практически исключают фокусировку в динамике: вращение колеса с одновременным оцениванием результата. Как следствие, фокусировка – процесс итерационный, требующий большого терпения и определенного навыка, граничащего с искусством.

Исходя из вышесказанного, ставим следующую задачу в общем виде: необходимо подсоединить к фокусировочному устройству телескопа электропривод, который будет управляться

• с помощью выносного пульта управления;
• «удаленно» с ПК;

По сути, от устройства требуется возможность вращать ось колеса фокусировочного устройства в заданную сторону с заданной скоростью (оба параметра задаются). Таким образом, на пульте управления должны быть как минимум две кнопки (вращать по часовой и вращать против часовой) и ручка регулировки скорости.

Disclaimer

Я не являюсь инженером ни по образованию, ни по роду занятости. И уж тем более не являюсь конструктором, механиком или монтажником. В данном случае это хобби, выросшее на около профессиональном интересе и любопытстве. Не претендую на то, что данное решение оптимально – вполне возможно профессионал сходу заметит какие-то вещи, которые можно было бы сделать проще. Тем не менее, я гарантирую, что:

• данное решение работает;
• его может повторить любой, кто умеет пользоваться паяльником, отверткой, шуруповертом, надфилем, тестером и при этом является опытным пользователем ПК;

В тексте программ, схеме устройства и спецификации могут быть ошибки, что-то может быть сделано не оптимально – с удовольствием приму критику и предложения.

Данную разработку (исходные коды, схему, материалы) может использовать любой по своему желанию в личных, некоммерческих целях. Публикация материалов возможна со ссылкой на исходный материала и с указанием авторства.
Данный проект по реализации фокусера на платформе ардуино далеко не первый, в сети можно найти еще как минимум три:

Что получилось

В результате был выбран и закреплен на фокусировочном устройстве шаговый двигатель, а так-же было разработано устройство управления ШД и написано программное обеспечения к нему:

• Шаговый двигатель Fulling Motor FL42STH47-0806M, 12В, 0.8А на фазу,
  
• Блок управления фокусером на базе отладочной платы микроконтроллера Arduino Uno и драйвера шагового двигателя Polulu A4988 в промышленном корпусе, питание – 12В, 25 ватт
  
• Пульт управления фокусером, для работы рядом с телескопом без использования ПК, имеет
  1. две копки вращения фокусера (желтые, вращение непрерывное с заданной скоростью пока нажата кнопка);
  2. кнопку снятия напряжение с двигателя (синяя, на случай перегрева и с целью снижения энергопотребления);
  3. рукоятку регулировки скорости вращения;

  

• Программа управления фокусером с ПК (блок управления подключается к ПК по USB, собранная версия Focuser Control Panel (под Windows) доступна тут

Принципиальная схема блока управления и ПДУ:

Прошивка микроконтроллера выложена на GitHub, равно как и исходный код панели управления.

Спецификация на все комплектующие доступна тут. Комплектующие приобретались преимущественно в российских интернет-магазинах, цены указаны ориентировочные. При заказе деталей в Китае стоимость может быть снижена в 2-3 раза.

Идеи на будущее

ASCOM-драйвер

Для автоматизации процесса тонкой фокусировки хорошо бы использовать уже готовые решения вроде Backyard EOS. Для этого нужен ASCOM драйвер, которым я планирую заняться несколько позже.

Микрофокусировка

При использовании фокусера Крейфорда с ручкой микрофокусировки решение может существенно отличаться, хотя для начала необходимо точно установить, стоит ли овчинка выделки? При использовании микрошага можно осуществлять поворот оси фоксера на угол порядка 3-4’.

Сменные фильтры

Следующее желание, возникающее после механизации фокусера – механизация колеса окуляров и фильтров. Данная задача имеет куда как более сложную механику и выходит за рамки данного проекта. Однако существуют проекты, решающие данную задачу. Например: ivastro.e3w.ru/FWF/index.htm

Беспроводной пульт

Существуют различные решения, которые позволяют избавиться от проводов. Или по крайней мере из минимизировать. Есть готовые решение вида ИК-пульт + блок управления ШД. Я от них отказался, так как в моем случае они имеют ряд недостатков. Например:

• ИК пульт требует прямой видимости, что не всегда удобно;
• WiFi и Bluetooth модули для Ардуино достаточно дороги;
• Для ДУ можно было бы использовать контроллер I2C, сократив кол-во проводов до 4-х и использовать тонкую витую пару, но плата с I2C контроллером и периферией обойдется примерно в $10.
• Возможность запоминать положение — очень полезно при смене окуляров, с готовыми решениями эту функцию реализовать можетбыть затруднительно

Почему сделанно именно так? Как сделать мне?

У желающего использовать мой опыт и сделать что-то подобного вполне резонно могут возникнуть вопросы, как ему выбрать двигатель, какой нужен блок питания и т.д. Поделюсь опыт, но в силу объема материала выкладывать буду выкладывать по частям.

UPD: Продолжение следует.
UPD2: проблема с дергающимся при запуске двигателем решилась банально — по возможности не использовать 13-ый пин Arduino. Схема исправлена, код прошивки на github`е обновлен.

Источник

Star Hunter — Ваш путеводитель в мире астрономии

Всё о космосе

Фокусер телескопа. Виды, характеристики, отличия

Сегодня я расскажу о важном функциональном узле телескопа — о фокусере. Предназначение фокусера — наводка резкости изображения в окуляре или на матрице фотоприемника. Обычно новички при покупке телескопа редко обращают внимание на тип и характеристики фокусера, однако качественный фокусер позволяет сделать астрономические наблюдения и получение астрофотографий более комфортными и продуктивными.

Как правило, фокусер представляет собой подвижную трубку, в которую вставляется либо окуляр, либо звёздная диагональ с окуляром, либо фото\видеокамера.

Фокусер телескопа-рефрактора с установленной диагональю и окуляром.

Основные параметры

1. Посадочный диаметр

Посадочный диаметр фокусера обычно указывается в дюймах. Среди любительских телескопов наиболее распространены фокусеры с посадочными диаметроми 1.25″, 2″, реже 0.965″, еще реже — 3″. Соответственно, с 1.25″ фокусером можно использовать 1.25″ окуляры, с 2″ фокусером — как 2″ окуляры, так и 1.25″ (через специальный переходник). Под 3″ фокусеры окуляров не так уж и много — разве что знаменитый Explore Scientific 30мм 100 градусов. Фокусером 0.965″ обычно оснащаются простейшие телескопы с апертурой до 50мм.

Реечные фокусеры для рефрактора (слева 1.25”, справа 2”), для рефлектора системы Ньютона (в
центре, 2”).

Реечные фокусеры для рефрактора (слева 1.25”, справа 2”), для рефлектора системы Ньютона (в центре, 2”).

Главное приемущество 2” фокусера перед 1.25” – возможность использования различных 2”
аксессуаров – широкоугольные длиннофокусные окуляры, корректоры комы, редукторы-
полеспрямители, фотоприемники с большой диагональю и т.д.

2. Виды фокусеров

Наиболее распространены следующие виды фокусеров – реечный и Крейфорд. Более редкие — резьбовой, геликоидный, фокусер Клемента и фокусер на салазках.

Реечный фокусер представляет собой две трубки, одна из которых вставлена в другую. На трубке с меньшим диаметром есть зубчатая рейка, на трубке с бОльшим диаметром — колесико с зубчатым колесом. При вращении колесика (ручки фокусера) происходит перемещение малой втулки и смещение окуляра или матрицы камеры. Данный тип фокусера установлен на большинство бюджетных моделей телескопов (рефракторы до 102 мм, рефлекторы до 150 мм). Плюсы — простота и дешевизна, отсутствие вращения фотоприемника. Основной минус – люфт, однако качественно сделанная рейка весьма и весьма удобна в использовании.

Схема реечного фокусера

Реечный фокусер бюджетного китайского телескопа системы Ньютона.

Бюджетный реечный фокусер рефрактора.

Владельцы 3D-принтеров могут распечатать себе основу такого фокусера:
http://www.thingiverse.com/thing:267200

Фокусер, распечатанный на 3D-принтере

Крейфордовский фокусер представляет собой продвинутую версию реечного фокусера, где рейка попросту отсутствует — металлическая ось на трении перемещает трубку фокусера. Главное достоинство — плавность фокусировки, отсутствие люфта, отсутствие вращения фотоприемника. Однако в фокусере Крейфорда возможно проскальзывание — например, при использовании тяжелых окуляров или камер.

Схема фокусера Крейфорда.

Двухскоростной фокусер Крейфорда для телескопа системы Ньютона.

Самодельный Крейфордовский фокусер из дерева и сантехнической трубы.

Самодельный Крейфордовский фокусер из сантехнической трубы.

Самодельный Крейфордовский фокусер из дерева.

Самодельный Крейфордовский фокусер из сантехнической трубы.

Самодельный Крейфордовский фокусер из пластика и металла.

Резьбой фокусер представляет собой две трубки одна из которых вкручивается по резьбе в
другую. Плюсы — простота и небольшой вес. Минусы — люфт, необходимость обильно смазывать резьбу густой смазкой, а также вращение фотокамеры при фокусировке. Данный вид фокусера часто применяется в искателях и подзорных трубах.

Геликоидный фокусер представляет собой что-то типа винта в гайке: вращаем гайку — винт
перемещается вперед-назад. Вращение фотоприемника отсутствует, однако есть заметные
люфты. Применяется во многих фотообъективах (например, в знаменитом Гелиосе-44-2, из
которого при желании можно сделать неплохой геликоидный фокусер для телескопа). Главное достоинство — возможны минимальные габариты, что критично при небольшом выносе точки фокуса телескопа за пределы трубы.

Геликоидная фокусировка в фотообъективе.

Самодельный геликоидный фокусер из фотообъектива “Гелиос-44”

Фокусер Клемента — довольно экзотический вид фокусера. Представляет собой что-то вроде дверной петли, которая держится на двух стальных пластинах. Главные достоинства — жесткость, отсутствие люфта, высокая нагрузочная способность. Из минусов — сложность изготовления, габариты и высокая стоимость. Впрочем, при желании его также можно изготовить самостоятельно.

Фокусер на салазках — еще более редкий способ фокусировки. Его использование я встречал только на некоторых любительских телескопах и на нескольких заводских телескопах. При фокусировке окуляр смещается вместе с блоком вторичного зеркала.

Фокусер на салазках с электрическим приводом.

Фокусер на салазках.

Фокусер на салазках в серийном телескопе Vixen.

Фокусер на салазках в серийном телескопе Vixen.

Отдельно хочу упомянуть о фокусировке главным зеркалом телескопа. Этот способ фокусировки используется в большинстве Шмидт-Кассегренов и Максутов-Кассегренов. Небольшой толкатель перемещает главное зеркало вперед-назад, и, соответственно, вынос фокуса за пределы трубы меняется.

Фокусировка главным зеркалом

При таком способе фокусировки возможно смещение изображения и небольшая разъюстировка, поэтому некоторые любители дооснащают свой телескоп дополнительным фокусером:

Двойная фокусировка — главным зеркалом и отдельным фокусером Крейфорда

3. Количество скоростей

Фокусеры могут быть односкоростными и двухскоростными. В двухскоростном фокусере наряду с основным фокусировочным колесиком есть еще одно с редуктором (обычно с коэффициентом редукции 1:10). Двухскоростной фокусер гораздо удобнее при фокусировке на больших увеличениях.

Двухскоростной Крейфордовский фокусер.

Впрочем, можно достигнуть более точной фокусировки путем замены фокусировочного колесика на более крупное:

Электрофокусеры

При использовании обычного фокусера любого типа ручку фокусировки необходимо вращать рукой. Это может вызвать дополнительную вибрацию телескопа и, соответственно, тряску изображения. Также не всегда удобно находиться рядом с телескопом – например, при фокусировке по экрану ноутбука (астрофото планет, Луны, Солнца). Во всех этих случаях на помощь приходит замечательное приспособление – электрофокусер. Он представляет собой небольшой мотор, присоединяющийся к валу фокусера тем или иным образом. При помощи специального пульта можно управлять фокусировкой и регулировать скорость вращения. Фокусировка получается плавной и без каких либо колебаний.

Простой электрофокусер Sky-Watcher и варианты его использования с различными типами телескопов:

Также существуют более функциональные модели электрофокусеров, управлять которыми можно с компьютера (например, Robofocus) . Такие устройства могут обеспечивать автоматическую фокусировку и подстройку фокуса телескопа в течение всей съемочной сессии.

Заключение

При выборе телескопа обязательно обращайте внимание на тип фокусера и его характеристики. Если при схожих оптических параметрах телескопов есть выбор между реечным фокусером и Крейфордом – разумеется, лучше взять телескоп с Крейфордовским фокусером. Он позволит использовать самые разнообразные оптические аксессуары, обладает более плавной фокусировкой и большей грузоподъемностью.

Источник