Астротрекер за два вечера
После прочтения статьи про любительскую астрономию я загорелся идеей поснимать звезды с помощью обычной камеры без телескопа. Статья подсказала идею про астротрекеры — устройства для компенсации вращения звездного неба на длительных выдержках.
Погуглив, я обнаружил что их легко можно купить. Но вот цена кусалась. Например, самый дешевый Vixin Ploarie Star Tracker стоит от $400 + доставка. Да и грузоподъемность его вызывала сомнения. В перспективе я планировал от широкоугольного объектива перейти и к 70-200/2.8 который вместе с камерой весят под полтора кг.
В процессе поиска оказалось что люди делают себе так называемые Barn Door трекеры: раз, два и другие. Попросту говоря — дверь от сарая. Принцип действия прост — две доски соединенных дверным навесом. Одна из них поворачивается с такой же скоростью как и земля вокруг своей оси. Ось навеса направляетя на Полярную звезду. Нижняя доска ставится на штатив, а на подвижную половинку ставится штативная голова с камерой.
Под катом много картинок.
Я загорелся идеей сделать такой трекер самому. Ибо без него снимать можно только звездные треки типа такого.
По прикидкам для этого почти все было на руках. За основу решил брать этот трекер. Там же в описании есть методики расчета основных параметров.
Материалом для досточек был выбран 10мм МДФ т.к. был опыт его лазерного раскроя в мастерской. Материал дешевый, удобный. В плане надежности пока что говорить рано. Посмотрим на опытную эксплуатацию.
Сперва в CAD-программе я начертил модель того что нужно было сделать. Для этого пришлось рассчитать радиус и скорость вращения шпильки. По моим прикидкам радиус получился 182.85мм для шпильки М5 с шагом резьбы 0.8мм и скоростью вращения гайки 1 об/мин. Шпилька была выбрана М5 как компромисс между прочностью и шагом резьбы.
Т.к. впоследствии хотелось поснимать на 70-200/2.8 то пришлось рассчитывать какое количество шагов двигателя нужно делать в минуту что бы не было смаза в пределах одного пиксела. После всех прикидок я сделал десятикратный запас для того что бы погрешности изготовления конструкции не ухудшили кардинально ситуацию.
Что бы вращать гайку на шпильке в оригинальной конструкции применили шестеренки. Но найти шестерни за адекватные деньги так и не получилось. Были только на e-bay да и то по $10+ с доставкой в месяц. Поэтому шестерни решил тоже резать лазером из МДФ или акрила.
В качестве двигателя использовал шаговый китайский 28BYJ-48. Их давно у меня лежало несколько штук, все хотел поиграться. Стоят они с платой-контроллером меньше $2 на ebay с доставкой. Питается он от 5-12 вольт. Делает один оборот вала за 64 шага. Также в нем есть редуктор с коефициентом близким к 63.68395:1. Таким образом, внешняя ось вращается за 2037 шагов в 4-шаговом режиме или 4075-шагов в 8-шаговом режиме. Крутящий момент у него не большой, но для этой задачи его более чем достаточно. В интернете пишут что получалось добиться от него порядка 15 об/мин но с повышением питания до 12В. Я решил что мне хватит 4 об/мин и сделал шестеренки с соотношением 4:1 что бы за четыре оборота двигателя гайка на шпильке делала один оборот.
В магазине я купил дверной навес с минимальным люфтом. Его габарит и стал шириной досточек. Там же купил шпильку. В другом магазине набрал крепежного материала. На крепеж, МДФ с порезкой, петлю ушло порядка 100 грн. ($8.3). На ebay заказал небольшую шаровую головку но пока что поставил обычную от старого штатива.
В нижней половинке я сделал отверстия для крепления к съемной площадке фотоголовки Manfrotto 804RC2 коротая у меня была. Также сделал отверстия для двигателя. Я предусмотрел корректировку расстояния между шестернями посредством вращения двигателя вокруг одного из монтажных отверстий.
Когда я был доволен чертежем, я отнес его на резку и принес вот такие замечательные но сильно пахнущие гарью детали.
Шестерни вырезали и из акрила и из МДФ. С акрилом получилось плохо, концы зубьев поплавились. Пришлось обработать их напильником. Субъективно у МДФ ход получился мягче. Но посмотрим в боевых условиях.
Крепление шестеренки к гайке очень простое — отверстие в форме шестигранника с минимальным допуском. Акрил — 8мм. Как раз поместилось 2 гайки М5.
Для того что бы точность ведения была выше, шпильку нужно согнуть дугой. Это делается так: печатаем на принтере две концентрические окружности нужного диаметра так что бы их края были габаритом шпильки. И потихоньку гнем ее и постоянно прикладываем к шаблону, проверяем. Гнуть лучше сразу всю шпильку (ее длина 1 метр) — так легче. Короткую — не согнуть аккуратно руками. За 10 минут все было готово.
Лишнее обрезаем дремелем. Я оставил сегмент порядка 25 сантиметров. Этого хватит на более чем 5 часов ведения.
Собираем все вместе:
Проверяем вращение на предварительно написанном скетче для ардуино.
Я использовал LCD Keypad шилд что бы было удобно подбирать скорость вращения.
Есть кпопка Старт/Стоп. Есть инкремент/декремент по 25 шагов и по 0.1 шагу. Скорость измеряется в шагах в секунду. Расчетная скорость должна быть 271.6 шага в секунду. Но проверить пока что не могу т.к. постоянно идут дожди.
Общий вид на получившуюся конструкцию 
Тут две ардуины. Не обращайте внимания. Одна используется как источник питания для двигателя.
Видео процесса работы
Сейчас погода стоит отвратительная. Дожди. Как только звезды будет видно приступлю к тестированию монтировки в полевых условиях.
Источник
Полевые испытания астротрекера
В предыдущем посте я рассказал как можно сделать астротрекер за два вечера. Настало время проверить его работу и сделать первые выводы.
Вот пример фото, сделанного с его помощью:
Вчера выдалась первая удачная ночь с ясным небом. Я собрался и поехал на дачу в 15 км от Днепропетровска. Расстояние не достаточное для исключения засветки от города, но для первых экспериментов вполне подходящее.
После предварительных балконных испытаний я внес два существенных изменения в прошивку контролера. Первое — при включении питания двигатель сразу начинает вращаться. Это позволяет просто включать-выключать питание для запуска двигателя. И второе — изменил направление вращения двигателя. Всю электронику я спрятал в черную коробку и старался в нее не лазить в процессе съемки чтобы не засвечивать глаза лишний раз.
На месте я начал с попытки сориентировать ось вращения трекера на Полярную завезду. Это оказалось самой большой проблемой за весь вечер.
Во-первых, у меня не было никакого прицела. Приходилось смотреть вдоль дверного навеса используя угол между ним и МДФ как прицел. Но это очень и очень неудобно, т.к. не получается держать в фокусе и его и Полярную звезду.
Во-вторых, моя штативная головка не предназначена для очень точной наводки на объект. На ней совершенно нет никаких элементов для того чтобы совершать очень точные и небольшие вращения. Те ручки, что на ней есть очень короткие, рычаг у них небольшой. А когда на астротрекер я повесил вторую штативную голову и камеру с объективом, то получилось что на основную головку стал действовать очень большой груз с большим рычагом, что сделало какое-нибудь точное наведение в принципе невозможным.
Получается, что нужно придумать какой-то механизм для точного наведения трекера на полюс не используя штативную головку. Также нужно предусмотреть прицел.
Первичную настройку я выполнил с помощью гироскопа в телефоне. Я выставил угол наклона 49.2 градуса и на глаз навел трекер в сторону полюса.
Далее я пользовался именно этим способом, т.к. ничего более точного без изменения конструкции сделать не получится.
Также в ходе опытов выяснилось, что жесткость конструкции вызывает ряд вопросов. После срабатывания затвора при фокусном расстоянии 200мм возникают микроколебания (даже с предварительно поднятым зеркалом). Я обходил это закрывая обзор объективу рукой на пару первых и последних секунд выдержки.
Первые тестовые снимки я сделал с выключенным мотором и потом — с включенным. Разница оказалась существенной:
F/4, ISO 320, 75mm, 79 sec.
Здесь слева статичный кадр, справа — с астротрекером. Это угол фотографии, масштаб 1:1. Tamron 28-75/2.8 рисует по углам как-то не очень красиво.
А вот этот кадр целиком:
Чуть ниже центра кадра — Полярная звезда.
Далее решил попробовать более длинную выдержку на широком угле и уже не в районе полюса где вращение минимальное а в стороне. Результат меня впечатлил:
28mm, f/4, ISO 320, 149 sec.
Набираюсь смелости и делаю еще более длительную выдержку. Делаю один за одним 2 кадра (212 и 260 секунд, f/3.5, ISO 320, 28 mm). Немного поигрался с ними в редакторе и склеил чтобы уменьшить шумы и повысить яркость. Камера смотрела почти вертикально вверх, так что в объектив, к счастью, не попадали никакие блики от соседей.
О да! Это то, ради чего все затевалось. Огромные россыпи звезд, виден млечный путь, хорошая проработка деталей, нет треков. Я доволен.
Что ж, мне и этого мало. Перехожу к 70-200/2.8. Приходится заново юстировать наводку трекера на полюс. В этот раз совсем трудно. Вес у камеры с линзой большой. Точность прицела еще меньше чем в предыдущем опыте.
В процессе тестирования становится понятно, что о выдержках длиннее 60 секунд пока что прийдется забыть — вылазят треки. Но на выдержке в минуту все выглядит не так уж и плохо. Также приходится подымать ISO до 1600, чтобы получилась хорошая экспозиция.
200mm, F/3.3, ISO 1600, 64sec.
Вот фрагмент в масштабе 1:1
Далее я начал экспериментировать с настройкой на полярную звезду. Также почти полностью «закрыл» половинки трекера, чтобы уменьшить болтания шпильки. В процессе экспериментов получилось сделать несколько снимков знаменитой галактики Андромеда (M31). Найти ее на небе новичку оказалось не просто. Но помогла программа SkEye в телефоне. Саму галактику я глазами так и не видел. Наводился сугубо по вторичным признакам. Но один раз найдя ее на небе потом было уже легко.
Получился такой кадр:
63 sec, 200mm, f/3.2, ISO 1600
Вот фрагмент в масштабе 1:1:
После обрезки, сложения трех кадров, цветокоррекции и капельки уличной магии получилась картинка из начала поста:
Что ж, неплохо как для первого раза.
1. Одевайтесь гораздо теплее, чем днем. Хоть сейчас и лето, но ночью температура падает до +12 (а то и ниже). Сидеть долго и неподвижно очень холодно. Я одел зимнюю пуховую куртку, шапку и перчатки и все равно замерз под конец. Ушел спать в 3 утра по большей мере именно потому что замерз.
2. Термос с чаем и печеньки. Must have.
3. Возьмите с собой раскладной стол и белую скатерть. Мне очень было удобно все разложить на нем. В темноте на белой скатерти видны контуры предметов так что более удобно находить на нем то, что нужно.
4. Удобное кресло. Сидеть прийдется долго. Лучше чтобы было удобно. Я использовал пляжный раскладной кресло-шезлонг.
5. Запасные аккумуляторы, флешки, камера.
6. Ночью выпадает роса. Прикрывайте технику и приборы тряпками пока не пользуетесь. Периодически проверяйте оптику. Возьмите микрофибру протирать влагу.
7. Ночью одному немного страшно. Реагируешь на любой шорох. Мне кажется будет лучше, если кто-то будет рядом.
8. Включите в камере предварительный подъем зеркала. Используйте спусковой тросик.
9. Старайтесь не передвигаться возле штатива пока идет выдержка. Никаких прыжков, ударов, вибраций, громкой музыки.
10. Следите за ногами. Не зацепитесь за штатив. Легко сбить юстировку на Полярную звезду.
11. Бонусный бесплатный совет только для тех, кто открыл спойлер.
Можно использовать угловой видоискатель. Вот такой:
В нем есть режим двукратного увеличения картинки из видоискателя, что очень повышает видимость звезд глазом при визировании.
Итак, подводя итоги можно сказать, что астротрекер действительно работает. Его точности достаточно для работы даже с объективом 200мм и камерами 21MPx. Однако конструкция требует существенной доработки для повышения качества наведения на полюс без использования головки фотоштатива.
С помощью астротрекера любой желающий может приобщиться к астрофотографии. Это не требует существенных капиталовложений (при условии наличии камеры, шататива и желания), это весело и познавательно.
Источник