3-osiowy system śledzenia nocnego nieba do astrofotografii – StarTrckr

Zawsze byłem bardzo zafascynowany kosmosem. Najłatwiejszym i w 100% bezpiecznym sposobem na niemalże „dotknięcie” przestrzeni kosmicznej z ziemi jest astrofotografia. Oglądanie planet, komet i innych obiektów przez teleskop jest jeszcze lepsze, ponieważ widzisz je na własne oczy przez soczewki i lustra, bez żadnej elektroniki. Ale teleskopy są drogie, bardzo drogie. Ten, który dostałem na ósme urodziny, bardziej przypominał zabawkę niż prawdziwy teleskop. Mogłem obserwować księżyc z bliska, ale niestety nic więcej, ani jednej planety. Ale to nie było wtedy ważne, miałem teleskop i mogłem przez niego patrzeć na nocne niebo, to wystarczyło. Od tego czasu minęło ponad 15 lat, a moja pasja do kosmosu wciąż żyje. W marcu 2023 roku obroniłem pracę inżynierską pt. „StarTrckr – system śledzenia nocnego nieba” na Politechnice Śląskiej (wydział AEI) i uzyskałem tytuł inżyniera na kierunku Control, Electronics, and Information Engineering. Ten projekt był moją pracą inżynierską.

POMYSŁ

Nie jestem pewien, kiedy narodził się pomysł na ten projekt. Przez całe życie przy każdej okazji próbowałem zrobić ładne zdjęcia nocnego nieba każdym dostępnym aparatem. W miarę ulepszania mojego sprzętu i od czasu do czasu dowiadywania się więcej o fotografii, zdjęcia stawały się coraz lepsze. Poniżej możecie zobaczyć niektóre z nich. Część wyszła świetnie ale są też takie które zdecydowanie nie robią wrażenia a mimo to bardzo je lubię. Jak np. zdjęcie gwiazd które zrobiłem telefonem w belgijskim lesie, leżąc na ziemi z grupą przyjaciół z CubeSat Summer School organizowanej przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA). Z tych fajniejszych mamy kometę Neowise z 2020 r. Ale jak dotąd „Gwiezdne Drzewo” jest moim ulubionym.

Jednak im więcej zrobisz zdjęć nocnego nieba, tym bardziej zdasz sobie sprawę, że prosty aparat i statyw mają swoje ograniczenia. Gdy Twoje aspiracje wzrosną i będziesz chciał celować w obiekty głębokiego nieba (galaktyki i mgławice), napotkasz problem – Ziemia się obraca. Istnieją urządzenia, które sobie z tym radzą, zwane trackerami gwiazd. Większość z nich to montaże paralaktyczne – duże urządzenia 2-osiowe przeznaczone do teleskopów. Aby prawidłowo śledzić nocne niebo, jedna z ich osi musi pokrywać się z osią obrotu Ziemi. Innym popularnym typem jest montaż alt-az. Wykorzystuje również dwie osie, ale żadna z nich nie pokrywa się z osią obrotu Ziemii i z tego występuje w nich problem zwany rotacją pola. Możesz śledzić dowolny obiekt na nocnym niebie, ale będzie się on obracał na matrycy aparatu lub w soczewce teleskopu, co spowoduje rozmycie obrazu przy długim czasie naświetlania. Początkowo, zastanawiając się nad tym problemem, chciałem zaprojektować mały, wydrukowany w 3D montaż paralaktyczny, z tylko jednym silnikiem obracającym się z prędkością dokładnie 15 stopni na godzinę (360 stopni/24h = 15 stopni/h – tak szybko obraca się Ziemia!). Jednak mocowania paralaktyczne są trudne do prawidłowego ustawienia, wymagają dużego statywu i zwykle są zbyt skomplikowane dla prostego aparatu i obiektywu typu DSLR, którego używam. A budowanie czegoś, co zbudowało wcześniej tak wielu ludzi, nie było tak ekscytujące, jak tworzenie czegoś nowego. Więc powoli zacząłem myśleć o innym projekcie, czymś nowym i zupełnie innym. To było na długo przed moimi ostatnimi semestrami na studiach.

W pewnym momencie stwierdziłem, że mocowania alt-az są minimalistyczne i proste – podoba mi się tego typu konstrukcja. Problemem jest jednak rotacja pola. Ale jest to problem, który można rozwiązać dodając kolejną oś. Czy jest sens tworzyć bardziej skomplikowany system? Tak, istnieje wiele zalet, o których wspomnę później.

---

Zajrzyj do sklepu Proste Części!

---

PROJEKTOWANIE

Projekt zaczął się od kartki papieru. Już wcześniej dużo rozmyślałem o projekcie, ale moja praca inżynierska popchnęła mnie do rozpoczęcia pracy i cały proces rozpoczął się od kilku szkiców na papierze.

Powoli zamieniły się one w projekt CAD. Szkicowanie wszystkiego wcześniej na papierze było świetnym sposobem na przemyślenie najważniejszych aspektów projektu bez skupiania się na wymiarach i narzędziach w Fusion360 – programie, w którym zaprojektowałem cały projekt. W sumie zaprojektowałem 4 różne wersje. Jedna była tak zła, że nawet nie została przedstawiona poniżej. Pierwsza na obrazku od lewej blokowała ruch na osiach (myślałem, że nie będzie to duży problem, ale podczas testów okazało się, że to poważne ograniczenie), więc zaprojektowałem wersję pośrodku ze wzmocnionymi częściami a silniki przerzucił się na drugą stronę ramion. Ostatnia wersja o nazwie v4 nie została jeszcze stworzona. Posiada większy widelec zamiast jednostronnego ramienia, aby zwiększyć sztywność konstrukcji. Wszystkie wersje zostały zaprojektowane z myślą o druku na najpopularniejszych drukarkach takich jak ender3 czy Prusa i3.

W przyszłości rozważam ulepszenie niektórych części, zwłaszcza ramion które będą wycięte laserowo ze stali.

Po wydrukowaniu i częściowym złożeniu tak wygląda StarTrckr. Podstawa składa się z 3 części, które należy złożyć jedna na drugą a następnie skręcić śrubami.

Po złożeniu i podłączeniu kamery gotowy do testów system wygląda tak.

ELEKTRONIKA

Opis powyżej dotyczył jedynie projektu mechanicznego. Elektronika to kolejny istotny element zapewniający prawidłowe działanie. Moja płytka drukowana i schemat zostały zaprojektowane w programie KiCad, a później wykonane przez JLCPCB.

Kiedy pracowałem nad projektem, występowały duże problemy z łańcuchem dostaw i niedobory komponentów elektronicznych, zwłaszcza mikrokontrolerów. Ale był jeden, zawsze dostępny, tani i programowalny w Pythonie. RP2040 z Raspberry Pi, który był używany w Pi Pico, które bardzo mi się spodobało, więc zdecydowałem się zaprojektować moją płytkę drukowaną z tym włąśnie mikrokontrolerem. Na szczęście dokumentacja RP2040 jest naprawdę niesamowita i tak szczegółowa, że zaprojektowanie własnej niestandardowej płytki PCB jest banalnie proste. Jedynym problemem jest to, że potrzebny jest zewnętrzny układ pamięci, ciężko go dostać w polsce i wysyłka dosyć sporo kosztuje. Ale udało mi się tanio kupić moduł z tym chipem, wylutować go i przylutować do mojej płytki PCB. Zaoszczędziłem dużo pieniędzy na wysyłce i sporo czasu.

Lutowanie poszło gładko mimo, że RP2040 ma bardzo małe piny. Po sprawdzeniu wszystkiego pod mikroskopem i z multimetrem wszystko wyglądało dobrze, więc wgrałem prosty skrypt testowy i zadziałało za pierwszym razem! Bardzo się ucieszyłem, gdy zobaczyłem, że PCB działa. Projekt zacząłem tak późno, że po prostu musiał się udać, bo inaczej ciężko byłoby skończyć pracę inżynierską na czas.

Więcej informacji, lista części i pliki są dostępne w serwisie GitHub.

PROGRAMOWANIE

Mikrokontroler RP2040 mogłem zaprogramować w MicroPythonie. Jako student data science uwielbiam Pythona i myślę, że był to świetny wybór, ponieważ udało mi się stworzyć oprogramowanie komputerowe używane do sterowania StarTrckr i firmware płyty sterującej w tym samym języku programowania. Kod został podzielony na wiele plików, aby zwiększyć czytelność i się nie pogububić. Prawdopodobnie najciekawszą częścią jest algorytm 3D Bresenhama do przesuwania trackera we wszystkich osiach jednocześnie oraz skomplikowany algorytm działający na komputerze stacjonarnym z wieloma wektorami i dużą ilością obliczeń, aby łatwo obrócić tracker, skalibrować go z osią obrotu Ziemi, a następnie śledzić niebo. Może nie jest to najpiękniejszy kod, ale działa i mam nadzieję, że uda mi się go ulepszyć w przyszłości.

TESTOWANIE

Ponieważ termin oddania pracy zbliżał się bardzo szybko, chciałem rozpocząć testowanie systemu, ale przez większość czasu uniemożliwiała mi to pogoda. Był grudzień, więc można było się tego spodziewać. Z tego powodu pierwszy „test” przeprowadziłem w domu z oprogramowaniem Stellarium na komputerze. Oczywiście nie jest to prawdziwa symulacja, ale pomyślałem, że może to być dobry sposób na sprawdzenie, czy wszystko obraca się prawidłowo. Oczywiście tak nie było, StarTrckr obracał się w przeciwnym kierunku, więc po prostu to naprawiłem, dodając pominięty znak minus.

Pierwszy prawdziwy test zewnętrzny przeprowadzono na wsi w Polsce, gdzie zanieczyszczenie światłem nie jest tak duże, jak w mieście, w którym wtedy mieszkałem. Taka była konfiguracja: prosty stół, StarTrckr z lustrzanką cyfrową, mój komputer i bateria 3S Lipo do zasilania systemu.

A teraz pokażę wam zdjęcia testowe. Aby udowodnić, że system działa, zrobiłem zdjęcia z tymi samymi ustawieniami, a aparat był zamontowany na trackerze, ale w przypadku pierwszego zdjęcia śledzenie było wyłączone, a dla drugiego włączone. ISO, czas ekspozycji, przysłona i obiektyw są dokładnie takie same, tylko śledzenie było włączone lub wyłączone.

Oto pierwsze zdjęcie, jak widać, gwiazdy są rozmazane i możemy zobaczyć tak zwane ślady gwiazd (star trails) – gwiazdy nie są punktami, ale raczej liniami. W rogu widać fragment budynku, jest idealnie ostry, bo aparat był nieruchomy.

Na drugim zdjęciu ślady gwiazd nie są aż tak widoczne, a gwiazdy są znacznie bliższe do punktów. Budynek w rogu jest rozmazany, ponieważ kamera się obraca.

Dlaczego gwiazdy nie są idealnymi punktami? Ponieważ system nie został idealnie skalibrowany z osią obrotu Ziemii. Jest to niestety dosyć trudne.

Test numer dwa przeprowadzono w większym mieście, w którym wówczas mieszkałem, zanieczyszczenie światłem jest tam poważnym problemem, ale mimo to chciałem spróbować. Tym razem czas ekspozycji to 600 sekund, czyli 10 minut, całkiem sporo, ale chciałem zobaczyć, jaka będzie różnica w obrazach.

Te same ustawiania i włączone śledzenie w systemie StarTrckr.

Zdecydowanie nie są to punkty idealne, ale znacznie lepiej. Tak jak wspomniałem, 10 minut ekspozycji na jedno zdjęcie to całkeim dużo. Zdecydowanie lepiej jest robić więcej krótkich ekspozycji niż jedną długą, gdyż później łatwiej jest w ten sposób usunąć szum.

PODSUMOWANIE

Jak wspomniałem na początku była to moja praca inżynierska na Politechnice Śląskiej (wydział AEI) i dzięki ukończeniu tego projektu uzyskałem tytuł inżyniera. Za projekt otrzymałem ocenę 5 (najwyższa możliwa) i 5 za całe studia. Ale to nie koniec! W tej chwili prawie kończę studia magisterskie z data science i moim projektem magisterskim będzie dalszy rozwój systemu StarTrckr.

Jestem bardzo zadowolony z dotychczasowych rezultatów projektu. Połączenie tak wielu różnych dziedzin w jednym projekcie było świetną okazją do przetestowania różnych pomysłów oraz nauczenia się wielu nowych rzeczy. Jest jeszcze tylko jedno do zrobienia. Od początku pracy nad tym projektem moim celem było zrobienie ładnego zdjęcia galaktyki Andromedy. Mam nadzieję, że to już niedługo nastąpi i na pewno się tym z Wami podzielę.

I na sam koniec, jeśli podobają Ci się moje projekty i chciałbyś wesprzeć moją pracę, możesz to zrobić poprzez mój sklep internetowy w którym sprzedaję sprzęt do malowania proszkowego oraz neony LED jako zestawy DIY, fajny i prosty projekt do polutowania. Możesz wesprzeć moją pracę na Patreonie lub skorzystać z superpodziękowań na YouTube. Samo subskrybowanie mojego kanału i udostępnianie filmów również bardzo pomaga!

Miłego tworzenia!

---

Zajrzyj do sklepu Proste Części!