Elektronischer Neueinsteiger plant Projekt.....

[Golfi1812]

Hallo miteinander,

um kurz etwas zu meiner Person zu sagen: Ich heiße Alex, bin 17 Jahre alt und komme aus RLP. Seit gut zwei Jahren beschäftige ich mich mit der Programmierung, im Zuge dessen habe ich mich intensiv mit C++ beschäftigt, was mir mittlerweile einen sicheren Umgang mit der Programmiersprache ermöglicht.
Meine zweite große Leidenschaft, welche zur Zeit etwas überwiegt, ist die Hobby-Astronomie. Seit gut einem Jahr bin ich hier aktiv und habe mir im Zuge dessen auch mein Teleskop (10" f/5 Dobson) (http://www.astrotreff.de/pop_printer_friendly.asp?TOPIC_ID=141611) gebaut.
Bis jetzt klingt das alles nach einer reinen "Foren-Verfehlung", deswegen nun der eigentliche Grund für meine Anmeldung hier im RoboterNETZ:
Visuelle Beobachtungen mit meinem Teleskop sind wunderbar und reizen mich immer wieder, jedoch haben nur Fotografien wissenschaftlichen Wert. Mein Dobson ist auf visuelle Beobachtung ausgerichtet und die Einfachheit der Dobson-Montierung ist genial, leider fotografisch fast unbrauchbar. Wenn man jedoch eine langzeitbelichtete Aufnahme machen möchte braucht man eine motorisierte, präzise Nachführung. Die Erddrehung muss durch entgegenbewegen kompensiert werden um brauchbare Aufnahmen machen zu können. Um dies zu erreichen gibt es mehrere Möglichkeiten:

Zum einen kann man das ganze Teleskop bzw. den Tubus "einfach" auf eine sehr schwere und sehr teure (~ 1200€) EQ-Montierung setzen. Dies zu tun wäre sozusagen das Maximum in Sachen Präzision aber leider auch im Preis welche außerdem jegliche Reisetauglickeit meines Dobsons zerstören würde.

Eine weitere Methode ist es das Teleskop auf eine spezielle, relativ günstige (im Selbstbau ~120€) EQ-Plattform zu stellen. Diese ist im Preis unschlagbar, jedoch zu unpräzise zur fotografischen Nutzung.

Ich möchte das ganze mit zwei Schrittmotoren lösen, einen pro Achse. Anstatt diese mit angepasster Geschwindigkeit stetig laufen zu lassen, was nur eine unpräzise Nachführung wäre, sollen die Schrittmotoren über den PC mit einem Programm gesteuert werden. Konkret soll das so ablaufen:
Eine Webcam wird auf einen Stern ausgerichtet, so dass dieser "Leitstern" Im Bildzentrum der Cam ist. Das Bild wird an den Rechner übermittelt und ein Programm überprüft stetig, ob der Leitstern noch im Bildzentrum ist. Nach weniger Zeit wird das nicht mehr der Fall sein (Erddrehung...) und der Tubus muss nachgeführt werden. Sobald sich also der Stern auch nur minimal bewegt, soll das Programm die Schrittmotoren am Dobson so ansteuern, dass diese die Bewegung durch Bewegung des Tubus kompensieren = Nachführen.
Dieses System birgt eine sehr hohe Präzision und gleicht Selbst-Bau-Bedingte Ungenauigkeiten am Dobson aus.
Dieses Prinzip der Nachführung ist übrigens keine Neuentwicklung sondern bereits unter dem Namen "AutoGuiding" bekannt. Mein Ziel ist es dieses System an meinem Dobson umzusetzen und dabei alles, bzw.so viel wie möglich selbst zu machen. Von Einbau, Verkabelung der Technik bis Entwicklung des Guiding-Programms.
Das ganze ist ein für meine Verhältnisse relativ großes Projekt, zumal ich wie gesagt auf Elektrotechnischer Ebene absoluter Anfänger bin. Welche Elemente (Schnittstelle, Motoren oder was auch immer) ich letztendlich benötige, dazu brauche ich euer Know-How und eure Erfahrung. Besser gesagt es wäre toll wenn ich an dieser Teil haben könnte.

Ich bedanke mich vorab schonmal bei allen Lesern und für alle Antworten und freue mich auf eure Vorschläge und Ideen.

MfG, Alex

[HannoHupmann]

Bei einer Nachführung mit Schrittmotoren wird man um eine geeignete Getriebestufe nicht herum kommen, denn sonst wird es zu ungenau werden (in der regal machen Schrittmotoren 1° bis 2° pro Schritt?).
Abgesehen davon würde das Drehmoment bzw. Haltemoment deutlich besser werden, es bietet sich wohl ein Schneckengetriebe an. Außer sowas ist an deinem Dobson schon verbaut.

[Golfi1812]

Danke für deine Antwort,
du hast recht, ein Schneckengetriebe ist unumgehbar. Das hatte ich mir auch so vorgestellt. Bis jetzt ist am Dobson nichts mechanisches in Sachen Lagerung/Montierung verbaut, alles läuft/gleitet auf Teflonpads.
Welche Schrittmotoren würden sich für mein Vorhaben eignen? Ein Empfehlung für ein passendes Steuerungselemt, oder was auch immer man zum Ansteuern der Motoren vom PC aus braucht, wäre auch wichtig.

mfg Alex

[rideyourstyle]

Hatte mal ein ähnliches Projekt. Aber es ist Projekt geblieben :-)
Also mit Schrittmotoren lässt sich das grundsätzlich lösen das Problem, gibt ja auch einen Mikroschrittbetrieb, da kann man dann die Schritte nochmals "Unterteilen" (z.B. 1.8°/128 ~ 0.01°, eventuell ein Zahnriemen könnte das dann nochmals verfeinern).
Die Steuerung des Ganzen über eine Webcam halte ich für schwierig. Was für eine Brennweite haben die so? 30mm? (Vergleich mit Vollformat DSLRs) Damit sieht man ja fast den ganzen Himmel. Mit der Auflösung die eine Webcam so bietet und mit dem Rauschen das gratis dazu mitgegeben wird, wird nicht mehr viel vom einzelnen Stern übrig bleiben.
Eventuell könntest du die Bilder miteinander "korrelieren" (Autokorrelation) um zu schauen wie gross die Verschiebung zwischen den einzelnen Bilder ist. Und da du erstens weist in welche Richtung sich die Sterne bewegen (nach den ersten paar Berechnungen ist die Richtung ja bekannt und die sollte ja eigentlich auch nicht mehr ändern ;-) ) und zweitens die Sterne nicht "springen" können musst du nicht die ganze Korrelation rechnen sondern nur eine gewisse Verschiebung die realistisch ist.
Hab gerade noch geschaut was ne EQ-Plattform ist. Die wird ja nach dem Polarstern ausgerichtet und dann führt nur ein Motor das Teleskop den Sternen nach. Du müsstest dann ein Motor in der richtigen Geschwindigkeit steuern können. Diese Geschwindigkeit, mir der sich die Sterne über unseren Köpfen bewegen, ist doch konstant oder? Wenn du die einmal ermittelt hast sollte das doch auch ohne Auswertung des Sternenhimmels funktionieren. Wie machen das denn andere mit so einer EQ-Plattform? Dann sollte ein uC (Arduino ist zum Beispiel für Anfänger gut zu empfehlen, kaufen und loslegen mit programmieren), eine Schrittmotorsteuerung (https://www.sparkfun.com/products/10859 mit Mikroschritt), eventuell Display und ein bisschen Stromversorgung bereits reichen um den Motor mit einer Konstanten Geschwindikeit fahren zu lassen (bzw konstante Schrittgeschwindigkeit).

Oder sehe ich da etwas komplett falsch???

Gruss und so

[Golfi1812]

Vielen Dank für deine ausführliche Antwort. Das mit der EQ-Plattform verstehst du richtig. Das Problem bei dieser ist es eben, dass das ganze System visuell zu gebrauchen ist, fotografisch aber viel zu unpräzise. Das erste Problem ist allein schonmal die exakte Ausrichtung des Südlagers der EQ auf den Polarstern, außerdem wird man die breitengradabhängigen Schwenkscheiben (Ausschnitte aus Ellipsen) niemals präzise genug hinbekommen für den exakten fotografischen Einsatz.
Zweitens kommt hinzu, dass bei meinem selbstgebauten Teleskop immer kleine Baubedingte Abweichungen vorhanden sind. Der Tubus ist möglicherweise nicht exakt ein Zylinder, die Höhenräder sind nicht exakt auf selber Höhe, weshalb der Tubus ganz leicht schräg sitzt usw.
Diese zwar kleinen Abweichungen die der Selbstbau nunmal mit sich bringt machen sich bei höheren Vergrößerungen ganz schnell bemerkbar. Bei Planeten bestimmt noch gerade so brauchbar, für Deep-Sky Aufnahmen (Extrasolare Objekte z.b. Galaxien,Nebel etc.) absolut nicht einsetzbar.
Wenn nun der Tubus in seiner Nachführung sich die ganze Zeit an einem Stern exakt orientieren kann, ist es letztendlich komplett egal wie Ungenau gearbeitet wurde. Denn dann wird eben auf einer Achse mal ein wenig schneller nachgeführt usw. . Genau hierin sehe ich den essentiellen Vorteil des AutoGuidings.
Natürlich ist der Aufwand zum Einbau einer solchen Nachführung im ² zur EQ-Plattform zu sehn, aber die Präzision eben auch.
Die Webcam selbst hätte dann erstmal gar keine Brennweite. Das Objektiv der Cam wird entfernt, so dass der Sensor frei liegt und diese dann an ein Sucherfernrohr montiert werden kann. Der Sucher entscheidet dann über Brennweite und Vergrößerung (je nach Sensor-Größe der Cam und Brennweite des Suchers).
Problematisch könnte, wie du bereits erwähnt hast, das Rauschen sein. Hier müsste man dann über den Einsatz einer anderen Cam oder so nachdenken, sollte das wirklich das Guiding zu stark beeinflussen....
Ich denke letztendlich auch, dass die Cam wirklich permanent die Position des Leitsterns überprüfen müsste. Ein einmaliges "kalibrieren" der Motoren bzw. deren Geschwindigkeiten reicht nicht aus, wegen dem Baubedingten "Verlaufen" des Tubus etc.
Deine Idee im Mikroschrittbetrieb und mit Zahnriemen zu arbeiten und so auf ein Schneckengetriebe zu verzichten hört sich gut und sinnvoll an. Die Motoren müssen letztendlich einen ca. 10kg schweren Tubus bewegen, schaffen sie diese Belastung und können sie dabei den Mikroschrittbetrieb gut beibehalten ohne zu "springen"?
Könnte man also theoretisch mit solch einem Microcontroller Board (http://www.reichelt.de/Programmer-Entwicklungstools/ARDUINO-DUE/3/index.html?;ACTION=3;LA=2;ARTICLE=130169;GROUPID=2 969;artnr=ARDUINO+DUE) hingehen, dort zwei Motoren anschließen und das ganze via USB mit dem Rechner verbinden. Der Rechner führt alle Berechnungen durch, hier läuft das Programm zur Überprüfung des Leitsterns über die Webcam. In wie fern braucht man dann noch einen Microcontroller, der programmierbar ist. Ich bräuchte letztendlich ja nur eine Schnittstelle, die das USB-Signal vom Rechner ausgehend in eine Motorbewegung bei den Schrittmotoren umsetzt......

mfg Alex

[rideyourstyle]

Schnellantwort: Du brauchst dazu noch einen Schrittmotortreiber. Das Board das du gezeigt hast kann "nur Rechnen", aber keine Leistung an die Motoren abgeben. Ich werde deine Antwort morgen nochmals durchlesen und antworten....

[Golfi1812]

Letztendlich wäre es am besten, wenn ich einfach eine Liste der Elemente habe, welche ich brauche um zwei Schrittmotoren mit einem C++ Programm von Visual Studio 2010 aus über USB 2.0/3.0 anzusteuern.
Wie gesagt, die Schrittmotoren müssen einen ca. 10kg schweren Tubus bewegen können am besten im Mikroschrittbetrieb. Wenn das zu aufwendig ist, kann ich auch einfach ein Schneckengetriebe vor den Motor basteln.
Ganz konkret: Welche Elemente brauche ich dafür?
Danke schonmal im Vorraus,

Mfg Alex

[Torrentula]

So wie es momentan aussieht benötigst du folgendes (mal von der mechanischen Kraftübertragung Motor -> Teleskop abgesehen)

1. Ein Microcontroller board: Du hast auf einen Arduino Due verlinkt, der hat einen 32-bit ARM micro drauf. Das Ding hat schon echt viel Rechenleistung, soviel benötigst du aber nicht, wenn du wie gesagt alle Berechnungen am PC machen willst. Der µC muss ja im Endeffekt nur über die Serielle Schnittstelle (die Arduino boards haben einen USB<->Seriell Wandler drauf) ein "Motor vor" bzw. "Motor zurück" empfangen und dann eben den Motortreiber so ansprechen, dass der Motor sich entsprechend bewegt (so viel Schritte wie benötigt macht).
Deshalb köntest du auch den kleineren Arduino Uno oder Leonardo verwenden.

2. Einen Motortreiber, da die Schrittmotoren bei weitem mehr Strom benötigen als ein µC liefern kann (siehe hier: http://rn-wissen.de/index.php/Schrittmotor)

3. Die Elektronik zur Auswertung (Webcam, wenn nicht zu viel Rauschen durch hohen Verstärkungsfaktor bei Dunkelheit vorhanden ist) und eben dein C++ Programm, welches die Bildauswertung und die Berechnungen übernimmt.

[Golfi1812]

Das wäre also dieser Microcontroller (http://www.conrad.de/ce/de/product/191789/Arduino-UNO-Platine-65139).
Kann ich dann letztendlich hingehn mir die nötigen Bibilotheken laden und dann mit Visual Studio in c++ die Motoren über den Controler ansteueren?
Welchen Treiber und welche Motoren würdet ihr mir explizit zu dem arduino uno und der Anforderung an die Motoren einen 10kg Tubus zu bewegen mit Schneckengetriebe davor...
Mfg Alex

[DanielSan]

Ich denke ein Schneckengetriebe ist nicht das Optimale. Denk mal über einen Rimentrieb nach. Z.B. mit HTD (oder HDT!? weiss ich grad nicht) Riemen. Die sind spielfrei und werden auch oft in CNC-Maschinen eingesetzt. Die Untersetzung ist natürlich dann nicht so groß wie bei einem Schneckengetriebe, aber es ist günstiger, spielfrei, wartungsfrei und der mechanische Aufbau ist relativ einfach.

Gruß Daniel

[Geistesblitz]

Wenn der meiste Teil eh auf dem PC passiert, würde ich eher auf einen µC verzichten und mir gleich ein Schrittmotorboard suchen, dass sich über USB ansteuern lässt. Wenn du ein bisschen Geld hast, kannst du ja mal bei Trinamic vorbeischauen, die haben dort High-End Schrittmotortreiber, die auch selbstständig Strecken mit Be- und Entschleunigungsrampen fahren können, alles über serielle Signale über verschiedene Schnittstellen. Hängt aber auch davon ab, wie du dir dein Projekt so vorstellst und was dein Aufbau alles machen muss (und was du alles selber machen magst). Ist aber bestimmt nicht schlecht, verschiedene Lösungsansätze für deine Aufgabe zu sammeln. DIE Lösung wird dir keiner anbieten können, eigentlich lassen sich alle Probleme auf viele verschiedene Arten lösen. Du musst aber dich selber damit beschäftigen, welche die beste UND praktikabelste Lösung für dich darstellt. Das wird dir wahrscheinlich keiner abnehmen können, wir können dich hier nur unterstützen.

[RoboHolIC]

Hallo Golfi1812.

Ich denke, eine Lösung mit stark untersetzendem Getriebe und eventuell sogar "nur" Gleichstrommotor ist am einfachsten umsetzbar. Hilfreich stelle ich es mir auch vor, gegen eine moderate Gleitreibung zu arbeiten, damit Antrieb und Regler ohne Vorzeichenwechsel nur gegen einen gewissen Schleppfehler arbeiten müssen. Vielleicht kommt auch eine starke Untersetzung ala 'Motorwelle auf 50cm-Riemenscheibe' mit Stahlseil in Frage. Das könnte man bestimmt recht steif hinkriegen.

Zahnriemenantriebe sind in deiner Aufgabenstellung so spielarm oder spielhaltig wie ein schlichter Glattriemen.

Um im Direktantrieb durch Momentenrichtungswechsel die Lage des Dobson ordentlich "starr" zu kriegen, braucht es schon sehr gute Sensorik ohne die Latenzzeiten einer Bildverarbeitung (sagt mein Bauchgefühl). Jegliche Totzeit oder signifikant elastische mechanische Kopplung wird da Ärger machen. Schließlich bringt ein Synchronmotor sein( Maximal-)moment ja erst, wenn der Rotor (um den halben Rastwinke)l von der Ruhelage weg gedreht wird.

Gruß
RoboHolIC

P.S:
Wie gehst du eigentlich mit der Drehung des Bildfeldes bei der Dobsonmontierung um? Deep Sky heißt ja auch viel längere Belichtungszeiten als Planeten- oder gar Sternphotografie.

[Golfi1812]

Danke für eure Antworten,

zu Geistesblitz's Vorschlag: Dein Lösungsvorschlag spricht mich im Vergleich zu den bereits gesammelten Möglichkeiten sehr an. Die Trinamics sind doch etwas zu teuer, ich habe diese Schrittmotorsteuerung (http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/product_info.php?products_id=173) gefunden. Sie ist preislich im Rahmen und scheint all das zu ermöglichen was ich brauche. Besonders die Einfachheit und auch die Möglichkeit das ganze mit Java zu steuern. In der Beschreibung ist die Rede von 30V und 2A für die Motoren. Reicht dies aus um Schrittmotoren zu betreiben, die ca. 10kg Masse bewegen müssen, auch in Blick auf eine mögliche Übersetzung zwischen Motor und Dobson.
Weiterhin ist mir nicht ganz klar, wie das Board mit Strom versorgt wird. Im Datenblatt ist von "Es reicht eine unstabilisierte Gleichspannung von ca. 7 bis 24V aus" die Rede. Kommt der Strom über ein externes Kabel? Kann man das auch mit klassischem Wechselstrom aus der Steckdose lösen, oder geht nur Gleichstrom also der Betrieb mit Batterie?

Zur mechanischen Umsetzung:
Wird eine Übersetzung Motor->Schneckenwelle->Zahnriemen(am Höhenrad ca. 25cm Radius) wirklich zu spielreich sind. Ist die Verzögerung bevor die Welle greift vielleicht kritisch?
Der zeitliche Versatz , verursacht durch die Bildverarbeitung, ist mir bis jetzt noch nicht in den Sinn gekommen. Wenn der Versatz zu groß wäre, wäre das natürlich ein riesen Problem und würde das ganze Projekt in Frage stellen (zumindestems das Autoguiding).
Die Möglichkeit die Haftreibung zu nutzen und über einen Seilzug die Höhenräder zu bewegen, ist schonmal in einem ähnlichen Projekt realisiert worden und funktioniert prächtig, demnach eine Überlegung wert.
Die Bildfelddrehung wird erst ab ca. 10sec Belichtung kritisch. Bei Avis an Planeten und Mond egal, da die Stackingssoftware die Frames einfach derotieren kann. Bei längeren Belichtungen ist die einzige Möglichkeit ein motorisiertes mitdrehen des gesamten Okularauszugs...

[Geistesblitz]

In der Beschreibung ist die Rede von 30V und 2A für die Motoren. Reicht dies aus um Schrittmotoren zu betreiben, die ca. 10kg Masse bewegen müssen, auch in Blick auf eine mögliche Übersetzung zwischen Motor und Dobson.

Kommt drauf an. Da du die 10kg ja nicht schnell bewegen willst, reichen ja schon kleine Motoren (ich schätz mal auf 0,5-1Nm, aber nicht drauf festnageln) mit einem geeigneten Getriebe. Wenn man das Rohr in seinem Schwerpunkt aufhängt braucht man eigentlich so gut wie keine Kraft zum Bewegen.


Weiterhin ist mir nicht ganz klar, wie das Board mit Strom versorgt wird. Im Datenblatt ist von "Es reicht eine unstabilisierte Gleichspannung von ca. 7 bis 24V aus" die Rede. Kommt der Strom über ein externes Kabel? Kann man das auch mit klassischem Wechselstrom aus der Steckdose lösen, oder geht nur Gleichstrom also der Betrieb mit Batterie?

AUF KEINEN FALL DIREKT AN DIE STECKDOSE ANSCHLIEßEN!
Du brauchst ein Netzteil, das dir die benötigte Gleichspannung liefert und an den Leistungsanschluss des Boards angeschlossen wird. Dabei auch auf die Leistung achten, jeder Schrittmotor verbraucht bei voller Ansteuerung etwa wurzel(2) Mal den angegebenen Phasenstrom (glaub ich mich zu erinnern). Bei 3 Motoren mit jeweils 2A Phasenstrom kommen also mal locker 9A zusammen. Man kann den Stromregler auch auf einen geringeren Strom einstellen, nur erreichen die Motoren dementsprechend auch nur einen Teil ihres Drehmomentes.

Spiel ist insofern kritisch, als dass es durch die schwingende Bewegung des Schrittmotors sicherlich anfangen würde zu "Klappern", sich also von einem Anschlag zum anderen schnell hin und her bewegt. Das wirkt sich garantiert negativ auf die Aufnahmequalität aus, daher wäre Zahnriemen wirklich besser, da man somit ein kraftabhängiges Spiel hat (Zahnräder können sich minimal frei bewegen, wenn Spiel vorhanden ist), sich also wie eine mitbewegende Feder verhalten.