Enginursday: Tracking Stars – Notícias

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Não, não estamos nos escondendo em arbustos com longas lentes de zoom esperando para ver o que Tom Cruise está vestindo hoje …



Favorito



Favorito

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Como muitas pessoas na Terra, eu amo observar as estrelas e imaginar todas as possibilidades que existem nas vastas extensões do universo. Como redutor, nerd e criador de tecnologia, peguei esse fascínio e tentei expressá-lo através da astrofotografia. Até recentemente, eu era capaz de obter fotos cada vez mais claras, brilhantes e inspiradoras apenas melhorando minha técnica usando as ferramentas que já tenho. Agora, no entanto, encontrei um novo inimigo: a física.

Há muita física acontecendo quando você olha para as estrelas. A fusão está liberando grandes quantidades de radiação EM de grupos distantes de gás. Essas ondas viajam pelo vácuo do espaço, são dobradas pela gravidade, dispersas por vastas nuvens de gás e iluminam inúmeros mundos. Nosso planeta gira em um eixo enquanto orbita o Sol, que é capturado em uma piscina leitosa que flutua preguiçosamente entre trilhões a mais. É tudo muito bagunçado, realmente!

A maioria dessas coisas não importa para a astrofotografia, porque as exposições são geralmente curtas – de alguns minutos a algumas horas. A tradução da Terra durante esse período não altera a aparência do céu, mas uma coisa – a rotação da Terra – tem um efeito enorme.

trilhas estrela

Tudo em uma estrela giratória WikiMedia Commons

São necessários muitos fótons para capturar uma imagem de um objeto fraco no céu. Isso significa muito tempo gasto na caça de fótons (ou coleta, o que você preferir). E com a Terra girando 360 graus por dia, não demorará muito até que sua estrela seja espalhada pela imagem. Esse se tornou meu fator limitante, então decidi criar uma solução.

Star Trackers

Os rastreadores de estrelas são dispositivos usados ​​para neutralizar a rotação da Terra, para que observações de longo prazo do céu possam ser realizadas. O conceito é simples: faça uma plataforma que gire contra a Terra na mesma velocidade. Os designs para rastreadores de estrelas variam de Ford Pinto a Rolls Royce, e há muitos recursos on-line sobre como fazer o seu. Meu design é do tipo “porta do celeiro” e é inspirado por esses projetos: Makezine: 6 DIY Star Trackers para fotos perfeitas do céu noturno

Na minha compilação, adiciono feedback posicional para que o rastreador possa corrigir seu movimento ao longo do tempo – permitindo (em teoria) maior precisão.

Hardware

Normalmente, meus projetos não têm um aspecto mecânico complicado, mas este certamente teve. Foi uma boa oportunidade para experimentar algumas das novas peças focadas em robótica que o SparkFun oferece como engrenagens, eixos, cubos, rolamentos, motores e codificadores.

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Aqui estão as peças SparkFun que eu usei:

Cubo do parafuso de fixação - 1/4

Cubo de Parafuso de Fixação – Furo de 1/4 “

Em estoque

ROB-12488

Os cubos de parafusos de fixação oferecem uma maneira barata de conectar engrenagens ou rodas de montagem de cubo a um eixo. O hub oferece 4 torneiras de 6 a 32…








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Duas alterações nesta lista são as seguintes:

  • adicionou um mudança de nível do shifter para melhor compatibilidade com o codificador
  • mudou o moto-redutor para 20 RPM versão para corrigir um erro de matemática que cometi no início do planejamento

Escolhi o RedBoard Artemis Nano por sua pequena pegada, ótimo suporte para interrupções (para o codificador) e, reconhecidamente, porque gosto dele. Para dirigir o motor, decidi experimentar o Qwiic Motor Driver, porque seria fácil ligar e seguir em frente.

Eu também precisava de algumas peças / peças diversas de uma loja de ferragens:

  • seção de três pés de haste rosqueada de aço inoxidável de 1/4 “
  • uma porca de 1/4 “de latão
  • uma porca nylock de 1/4 “
  • uma porca de asa de 1/4 “
  • duas arruelas de identificação de 1/4 “
  • uma arruela de pressão com identificação de 1/4 “
  • aproximadamente 3,5 ‘bordo 1×4
  • uma dobradiça de porta padrão de 3 “

Descobrir como exatamente montar todas essas peças para que as engrenagens se encaixassem corretamente foi talvez a parte mais desafiadora e demorada do projeto. Acabei criando alguns modelos 3D brutos dos principais componentes e montando-os usando o OnShape (um aplicativo de modelagem 3D muito legal na Web). Aqui estão os arquivos de design público:

Construir

Tentei tirar o pó de algumas habilidades antigas de carpintaria / fabricação e mais ou menos descobri que o pó era tudo o que eles deveriam começar. O que foi dito aqui foi o meu processo geral:

Para construir portas de celeiro:

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  1. Corte duas seções de 18 “de material de bordo 1×4 para servir como as portas do celeiro.
  2. Dentro de uma seção, marque uma linha central e uma linha de dobradiça perpendicular a cerca de 1 “do final.
  3. Meça 14 “a partir da interseção e marque como centro da haste rosqueada.
  4. Use adesivo em spray para localizar o modelo superior sobre o centro do orifício da haste rosqueada.
  5. Faça pequenos furos (1/8 “) nos quais os eixos da engrenagem do pinhão iriam com uma furadeira (você pode usar uma furadeira manual, mas verifique se está reta).
  6. Usando esses dois orifícios, você pode localizar e aderir ao modelo inferior.
  7. Use um roteador para rotear o modelo principal (preste atenção à profundidade correta [0.312″] e ignore o orifício central).
  8. Vire e perfure os orifícios dos eixos do codificador / motor até o fim (brocas de 5/16 “ou 3/8” funcionam aqui).
  9. Trabalhando das formas menores às formas maiores, elimine os dois níveis para os orifícios do motor e do codificador. Faça os menores primeiro, porque o modelo foi destruído no processo – preste atenção ao uso da profundidade correta.
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Para criar o mecanismo da unidade:

  1. Use todos os meios possíveis para fixar a porca de latão no cubo de alumínio, para que o cubo possa ser parafusado na engrenagem de acionamento grande (esta é difícil, usei o JB Weld, mas o ideal é fazer um furo hexagonal).

Para fazer a haste de acionamento:

  1. Use uma corda ou outro método para traçar cerca de 60 graus de um arco de raio de 14 “.
  2. Com as mãos em cada extremidade da haste rosqueada, use um movimento de torção puro para dobrá-lo para corresponder ao arco de 14 “(o centro provavelmente será a melhor seção).
  3. Identifique a sua melhor seção e recorte-a – quanto mais você tiver, mais poderá executar o rastreador de estrelas por vez.

Conexão eletrônica:

  1. Fios de solda para os terminais do motor.
  2. Conecte os fios do motor nos terminais A1 e A2 do driver do motor Qwiic.
  3. Conecte sua fonte de alimentação de 8V a 11V DC aos terminais VIN do Driver do Motor.
  4. Conecte o driver do motor Qwiic ao RedBoard Artemis Nano usando um cabo Qwiic.
  5. Conecte o fio marrom do codificador à mesma fonte de tensão do seu motor.
  6. Conecte o fio azul do codificador ao GND no Artemis Nano.
  7. Use sua solução de mudança de nível para conectar os fios preto e branco do codificador ao Artemis nos pinos que você desejar (são recomendados shifters de nível mosfet – usei divisores de tensão porque fui pego de surpresa e precisava fazer algo rapidamente. tenha em atenção que o codificador tem uma impedância de saída de 2 K. Acabei por usar resistores 2M e 1M nos meus divisores).
  8. Ligue o Artemis Nano com um cabo USB – ou forneça outra fonte de 5V ao VIN na placa de desenvolvimento.
produto final

Um rastreador em estrela concluído (mas longe de terminar)

Programas

Embora atualmente esteja em andamento, pretendo continuar atualizando este projeto no GitHub: StarTracker.

Rastreadores de estrelas desse estilo nem precisam necessariamente de software – um simples regulador de tensão para ajustar a velocidade do motor costuma ser suficiente. Nesse caso, no entanto, eu queria me divertir um pouco e buscar alta precisão / confiabilidade. Para mim, isso significava adicionar um loop de feedback.

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A taxa de rotação da Terra é muito estável (durante os períodos de tempo usados ​​para expor filmes para astrofotografia), então você pode se perguntar se um sistema de controle é realmente necessário. Em um caso idealizado, você pode desligar um motor para fazer suas próprias coisas e ele também funcionará a uma taxa constante. Qualquer incompatibilidade entre a taxa do motor e o giro da Terra seria um erro constante e se acumularia ao longo do tempo de maneira previsível. De fato, se você conseguir que essa diferença seja pequena o suficiente, poderá ocultá-la efetivamente com outras técnicas (como empilhamento de imagens).

Aqui está um exemplo de como isso pode ser (exagerado)

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  • Vermelho: o erro medido na taxa de rotação ao longo do tempo
  • Azul: o erro de posição geral que se acumulou ao longo do tempo – você observaria isso em uma imagem como trilhas começando a se formar atrás das estrelas.
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O que acontece quando poeira / sujeira obstruem o sistema? Quando a tensão da bateria diminui no tempo frio? Quando uma combinação pesada de câmera / lente sobrecarrega o sistema de acionamento? Nesses casos, pode haver um erro que muda ao longo do tempo e é muito mais difícil de prever e explicar. Cobrir esses cenários é o que um loop de feedback ativo faz muito bem.

Aqui está o mesmo gráfico após adicionar feedback proporcional (P)

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Desta vez, à medida que o erro geral de posição aumenta, uma “força restauradora” proporcional é aplicada para trazê-lo de volta a zero (na prática, isso significa alterar a velocidade na qual o motor está configurado para funcionar). Você pode ver que o erro agora oscila em torno de zero, em vez de crescer infinitamente. Isso é bom, mas queremos que o erro seja zero – é aí que o feedback derivado entra em jogo.

E novamente depois de adicionar feedback derivado básico (D)

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Finalmente, o erro é controlado para zero. Isso é feito adicionando uma “força” que neutraliza o movimento em direção ao alvo.

Conclusão

No geral, essa foi uma maneira divertida de combinar meus interesses em astrofotografia e sistemas de controle. O papel deste último nesse projeto merece um exame muito mais profundo e preciso, mas teve que começar em algum lugar! Esperemos que este equipamento esteja lá fora, rastreando estrelas muito em breve.

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