Astronomy with your hands: Έργο ΙΠΠΑΡΧΟΣ

Το έργο Ίππαρχος είναι μια προσπάθεια για να κατασκευαστεί ένα ηλεκτρονικό σύστημα εντοπισμού και παρακολούθησης (goto/tracking) για ερασιτεχνικά τηλεσκόπια. Το σύστημα θα μπορεί να προσαρμόζεται στο τηλεσκόπιο μας ενώ ο έλεγχός του θα γίνεται μέσω κινητής συσκευής τηλεφώνου (smart phone) με εγκατεστημένο λειτουργικό Android. Το σύστημα θα προορίζεται για τηλεσκόπια αποκλειστικά με στήριξη Dobsonian. Το έργο αυτή τη στιγμή βρίσκεται υπό εξέλιξη και θα προσπαθήσω να περιγράψω κάποια έτοιμα κομμάτια αλλά και την ιδέα της υλοποίησης μέσα από φωτογραφίες και περιγραφές. Ο σκοπός του έργου είναι να παρέχει στον κάθε ερασιτέχνη ένα σύστημα εύκολο στην υλοποίηση με απλά υλικά και χαμηλό κόστος.

Μέχρι στιγμής τα προϊόντα του εμπορίου κοστίζουν πολλές φορές πάνω από το ίδιο το τηλεσκόπιο μας λόγω των υλικών κατασκευής τους (πχ κωδικοποιητές θέσης υψηλής ανάλυσης). Ο "Ίππαρχος" επιχειρεί να μειώσει κατακόρυφα το κόστος αυτό χρησιμοποιώντας υλικά και μεθόδους που δεν υπήρχαν στο παρελθόν. Σκοπός του έργου είναι να προσφέρει σε όλους τους ερασιτέχνες αστρονόμους τη δυνατότητα να κατασκευάσουν τη δική τους στήριξη. Όλες οι πληροφορίες που χρειάζεται κάποιος καθώς και το λογισμικό εντελώς ΔΩΡΕΑΝ!

Αρχιτεκτονική

Το σύστημα αποτελείται από 3 κύρια μέρη:

Στήριξη
Ηλεκτρονικά
Λογισμικό

Το κομμάτι της στήριξης αποτελείται από το σύστημα μετάδοσης κίνησης σε 2 άξονες Χ-Υ, ή αλλιώς κατά Αζιμούθιο και Ύψος. Το σύστημα μετάδοσης αποτελείται από 2 βηματικά μοτέρ τα οποία μέσω ενός συστήματος γραναζιού και ιμάντα μεταδίδει την κίνηση στο κυρίως σώμα. Οι προδιαγραφές τις στήριξης θα πρέπει να επιτρέπουν στο τηλεσκόπιο να κινείται χωρίς να απαιτείται μεγάλη δύναμη. Γι'αυτό το λόγο θα πρέπει η κίνηση στο αζιμούθιο και στο υψομετρικό να γίνεται με ρουλεμάν. Με αυτό τον τρόπο δεν επιβαρύνονται τα μοτέρ και δεν έχουμε μεγάλη ροπή. Προϋπόθεση είναι επίσης το τηλεσκόπιο μας να είναι όσο γίνεται ζυγισμένο.

Το ηλεκτρονικό μέρος όπου θα ελέγχει τα μοτέρ και επικοινωνεί με το λογισμικό. Περιέχει τις απαραίτητες ρουτίνες για να μετατρέπει τις ουρανογραφικές συντεταγμένες σε βήματα και ώστε να κινεί τα μοτέρ στη σωστή θέση. Η πρώτη έκδοση του συστήματος ήταν κλειστού βρόχου. Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα αρχικά λάμβανε την τρέχουσα θέση του τηλεσκοπίου μέσω 2 αισθητήρων ανάδρασης. Επειδή οι αισθητήρες αυτοί ήταν 2 απλά ποντίκια υπολογιστή, το σύστημα δεν αποκρινόταν όπως έπρεπε. Ο λόγος ήταν ότι τα ποντίκια είχαν ένα ποσοστό λάθους. Επομένως η απαίτηση για οπτικούς κωδικοποιητές ήταν δεδομένη. Στην τρέχουσα έκδοση το σύστημα είναι ανοιχτού βρόχου θέλοντας να αποφύγω το κόστος των αισθητήρων. Το μειονέκτημα που προκύπτει από αυτό το σχεδιασμό είναι ότι η κίνηση του τηλεσκοπίου θα πρέπει να είναι κλειδωμένη και δεν επιτρέπει χειροκίνηση.

Το λογισμικό αποτελεί το "μυαλό" του συστήματος. Το λογισμικό εκτελεί μια σειρά από διεργασίες και μαθηματικούς υπολογισμούς για να δώσει τις απαραίτητες εντολές στο ηλεκτρονικό μέρος ώστε να κινήσει τα μηχανικά μέρη του συστήματος αλλά και να λάβει την ανάδραση για την τρέχουσα θέση του τηλεσκοπίου. Επίσης μας παρέχει ένα γραφικό περιβάλλον χειρισμού του τηλεσκοπίου μας.

Προκειμένου να μπορεί το λογισμικό να "μιλήσει" με το ηλεκτρονικό θα πρέπει να καθοριστεί ένα πρωτόκολλο επικοινωνίας. Το πρωτόκολλο αυτό περιλαμβάνει καθορισμένες λέξεις "κλειδιά" με τις οποίες το λογισμικό και το ηλεκτρονικό μέρος ανταλλάσσουν και επεξεργάζονται πληροφορίες. Η επικοινωνία γίνεται με ασύρματο τρόπο μέσω bluetooth.

Αλγόριθμος ευθυγράμμισης 2 γνωστών αστέρων

Για να γνωρίζει το σύστημα πώς θα πρέπει να κατευθυνθεί θα πρέπει πρώτα να του δώσουμε 2 σημεία αναφοράς στον ουρανό (στην πράξη χρειάζονται 3 διαφορετικά σημεία αλλά μπορούμε να εξάγουμε το 3ο σημείο με βάση τα άλλα 2). Το σύστημα καταγράφει τις συντεταγμένες των σημείων και δημιουργεί ένα πίνακα μετασχηματισμού Τ (transformation matrix). Ο πίνακας αυτός αποτελεί στην ουσία μια χαρτογράφηση του ουρανού και μας επιτρέπει μετασχηματίζουμε τις ουρανογραφικές συντεταγμένες σε αλταζιμουθιακές. Γνωρίζοντας τις αλταζιμουθιακές συντεταγμένες το μόνο που μένει να κάνουμε είναι να μετακινήσουμε το τηλεσκόπιο ώστε να συμπίπτει με αυτές. Ο αλγόριθμος περιγράφετε στο άρθρο του Toshimi Taki -"Matrix Method for Coodinates Transformation".

Εισαγωγή και παρακολούθηση τρέχουσας θέσης του στόχου και του τηλεσκοπίου

Αφού η διαδικασία της ευθυγράμμισης τελεστεί με επιτυχία μπορούμε να πλοηγηθούμε σε οποιοδήποτε σημείο του ουράνιου θόλου δίνοντας απλά τις ουρανογραφικές συντεταγμένες του σημείου που επιθυμούμε. Γνωρίζοντας τις αλταζιμουθιακές συντεταγμένες σειρά έχει ο μικροελεγκτής ο οποίος αναλαμβάνει να συσχετίσει τις γωνίες με τα βήματα που απαιτούνται. Δίνει εντολές κίνησης και ελέγχει γενικότερα τα μοτέρ.

Η τρέχουσα έκδοση του λογισμικού μπορεί να εγκατασταθεί σε Windows PC και μπορείτε να το μεταφορτώσετε από εδώ: http://code.google.com/p/hipparchus/. Επειδή το έργο είναι υπό εξέλιξη η τρέχουσα έκδοση θα αναπτυχθεί και για πλατφόρμα Android.

Παρακάτω μπορείτε να δείτε ένα βίντεο από ένα μια αρχική έκδοση του λογισμικού το οποίο εκτελεί στη σειρά τις παραπάνω διεργασίες:

Ηλεκτρονικό μέρος

Το ηλεκτρονικό μέρος του συστήματος δέχεται εντολές ελέγχου από το λογισμικό. Αυτό με τη σειρά του μεταφράζει τις εντολές αυτές σε σήματα προκειμένου να κινηθούν τα μοτέρ με τη σωστή ταχύτητα και κατεύθυνση. Η πρώτη έκδοση περιλάμβανε ανάδραση και σήματα από τα 2 mouse τα οποία είχαν τοποθετηθεί κατάλληλα στο τηλεσκόπιο για να παρακολουθούν την κίνησή του σε X-Υ άξονες αποστέλλοντας κάθε φορά την τρέχουσα θέση στο μικροελεγκτή. Για τους λόγους όμως που περιγράψαμε παραπάνω ο τρόπος αυτός δεν αποδείχθηκε αποτελεσματικός με αποτέλεσμα να μετατραπεί το σύστημα σε ανοιχτού βρόχου χωρίς ανάδραση. Αλλαγή επίσης έγινε στον τύπο των μοτέρ από απλά DC σε βηματικά. Χρησιμοποιώντας βηματικά μοτέρ μπορούμε να ξέρουμε πόσα βήματα έχουν γίνει με βάση μια προκαθορισμένη θέση.

Μικροελεγκτής

Η καρδιά του ηλεκτρονικού μέρους είναι ένας μικροελεγκτής Atmel Mega 328 ο οποίος είναι ενσωματωμένος πάνω σε μια αναπτυξιακή πλακέτα ανοιχτού υλικού Arduino UNO. Η πλακέτα μπορεί εύκολα να προγραμματιστεί μέσω ενός IDE γράφοντας το πρόγραμμα σε γλώσσα wiring.

Ο μικροελεγκτής παρέχει εισόδους και εξόδους με τις οποίες δέχεται και στέλνει πληροφορίες. Μπορεί επίσης να επεξεργαστεί σήματα αλλά και να παράγει κυμματομορφές ειδικού τύπου όπως PWM.
Το πρόγραμμα το οποίο τρέχει στο μικροελεγκτή (firmware) εκτελεί τις παρακάτω λειτουργίες:

Επικοινωνία με το λογισμικό μέσω ενός καθορισμένου πρωτοκόλλου εντολών
Διεπαφή με αισθητήρες κίνησης και λήψη της τρέχουσας θέσης από αυτούς
Έλεγχος ταχύτητας και κατεύθυνσης των μοτέρ

Για να μπορεί να τρέξει ο Ίππαρχος θα πρέπει να έχουμε εγκαταστήσει το πρόγραμμα (firmware) στην πλακέτα το οποίο μπορούμε να το κατεβάσουμε από εδώ: http://code.google.com/p/hipparchus/

Γέφυρα Η L298N

Η γέφυρα είναι ένα βοηθητικό κύκλωμα το οποίο παίρνει εντολές ελέγχου από το μικροελεγκτή και τις μεταφράζει σε εντολές κίνησης για τα μοτέρ. Η γέφυρα συνδέεται με 4 ψηφιακά pin ελέγχου του ελεγκτή, με την τροφοδοσία και τέλος με τα μοτέρ. Το κύκλωμα της γέφυρας μπορούμε να το προμηθευτούμε από εδώ: L298N

Bluetooth

Βασική προϋπόθεση του συστήματος είναι ότι θα πρέπει να επικοινωνεί ασύρματα με το λογισμικό μας. Η τρέχουσα έκδοση του λογισμικού τρέχει σε PC οπότε θα πρέπει ο υπολογιστής μας να είναι εφοδιασμένος με bluetooth. To bluetooth model που χρησιμοποιεί ο Ίππαρχος είναι το BlueSMiRF Gold