С. Хартиков: Создание энкодеров для телескопа ТАЛ-150

Описание конструкции датчиков угла, сделанных из компьютерной мыши я приведу как следствие предыдущих моих экспериментов использования механизма телескопа для поиска объектов.

У меня телескоп ТАЛ-150 (НПЗ) на экваториальной монтировке с часовым приводом. В инструкции к телескопу предлагается осуществлять поиск объектов при помощи круга часовых углов и круга склонений. Учитывая, что цена деления на круге склонений составляет 2 градуса, а на часовом - 10 минут, становится понятным, что точное наведение на многие объекты очень затруднительно. К тому же необходимо постоянно пересчитывать координаты по часовому углу из-за суточного вращения Земли. Кроме того, проблема усугубляется из-за сложности точной настройки полярной оси на Полюс мира. Еще один минус - необходимость подсветки координатных кругов, что ухудшает чувствительность глаза ночью.

После неудачных попыток использовать координатные круги я пришел к идее осуществлять поиск объектов относительно известных ярких звезд при помощи маховиков точных движений. Для этого необходимо было убедиться в линейности этих маховиков теоретически и практически. На основании прилагаемой к телескопу схеме часового привода я выяснил, что маховик часового угла передает свое вращение шестерне полярной оси через фрикцион, поэтому движение должно быть линейным, но у меня возникло опасение, что линейность может быть нарушена проскальзываниями в фрикционе. После проведения серии замеров с установленной трубой телескопа и без нее (но с противовесами) было установлено, что пол-оборота маховика с большой точностью соответствуют 4 минутам часовой оси. Пол-оборота маховика выбраны в качестве единицы измерения из-за того, что поворачивать маховик на пол-оборота гораздо удобнее, чем на целый оборот (иначе выворачивается рука). Затем я рассмотрел устройство механизма тонких движений по оси склонений. Здесь маховик является ручкой микрометрического винта, который вкручивается в корпус и отклоняет подпружиненную ось склонений. Это означает, что мы линейно меняем тангенс угла (линейность микрометрического винта предполагается доказанной, так как шаг резьбы всегда постоянен вдоль оси винта). На таких малых углах отклонения оси склонений механизмом тонких движений как плюс-минус 5 градусов тангенс с очень большой точностью равен самому углу. Отсюда следует теоретическая линейность механизма по оси склонений. Правда практически проверить эту линейность, как в случае часовой оси не получается - там можно было осуществить полный оборот на 360 градусов, а здесь - нельзя. Мне пришлось довольствоваться замерами коэффициента пересчета с использованием координатного круга. Было установлено, что пол-оборота маховика оси склонений составляют 19 угловых минут и 06 секунд.

Далее оставалась необходимость в пересчете относительных углов в полуобороты маховиков. Понятно, что в уме проводить такие вычисления неудобно, хотя бы из-за того, что при измерениях углов используется не десятичная система. Поэтому свои первые опыты поиска с использованием относительных углов и маховиков тонких движений я проводил так: написал простую программу, на вход которой подавал список близких объектов, и она распечатывала в виде таблицы относительные расстояния между всеми возможными парами объектов из списка в виде таблицы, в клетках которой стояли полуобороты маховиков по осям Ra и Dec; я заранее перед наблюдениями распечатывал такие таблицы, а затем, укрепив их на стенде рядом с телескопом, осуществлял поиск. Уже первые ночи подтвердили правильность выбранного метода - я с радостью обнаруживал многие из тех объектов, которые раньше просто не мог найти. Конечно, пришлось заучить конфигурации соответствующих созвездий, в которых я выбирал опорные звезды. Очевидно, что минусом метода являлось ограничение относительных перемещений по оси склонений в 10 градусов - но это нельзя изменить, не изменив конструкцию монтировки телескопа. Для облегчения точного отсчета количества полуоборотов по оси склонений я наклеил с торца маховика по его диаметру полоску изоленты (маховик часовой оси имеет диаметрально симметричные впадины для пальцев, поэтому там такой проблемы нет).

У меня с детства была страсть все автоматизировать, но при этом никогда не было доступа к станкам, хорошим инструментам, деталям и т.д. Поэтому я привык для автоматизации выбирать следующий путь: - максимально использовать готовые детали от каких-либо других конструкций, - минимально портить (т.е. сверлить, пилить и т.д.) объект автоматизации - чтобы всегда можно было вернуться к исходному состоянию. Понятно, что после первых удачных опытов использования описанного метода поиска объектов я решил как-то его автоматизировать, чтобы получать эстетическое наслаждение от использования техники. Какой-либо информации по датчикам угла поворота у меня не было. В уме я представлял себе возможные собственные конструкции таких датчиков: - укрепить на осях лазерные источники и фиксировать светящуюся точку фотодатчиками на окружности вокруг оси - конечно, надо было бы тогда сделать окружность датчиков довольно большого диаметра, да и фотодатчиков разместить чрезвычайно много, - изготовить электромеханический датчик из пластика с нанесенными на него рисками из проводящего материала - но тогда рисок должно быть очень много, они должны быть довольно миниатюрными и очень точными, - и т.д.

Таким образом, мне не удалось придумать как самому изготовить датчики угла. Хотя это произошло значительно позднее, но стоит отметить, что я пытался найти датчики угла поворота и в Интернете (тогда я и узнал, что они называются энкодерами). Я обзвонил найденные фирмы и выяснил, что хотя в рекламе представлены датчики с 4000 отсчетами на оборот, но у них имеются только датчики с 360 отсчетами и по довольно высокой цене. Это позволяет осуществить только идею метода относительных углов, но явно недостаточно для абсолютных (свои соображения об идее абсолютных углов я выскажу несколько ниже). Наконец, я остановился на компьютерной мыши, в которой используются два оптических датчика угла поворота. Конструкция этих датчиков достаточно проста - колесико с равномерными прорезями и пара светодиодов и фотодиодов по разные стороны колесиков. Напомню о своих принципах минимального вреда - поэтому для экспериментов я выбрал старую мышь (хотя потом я обнаружил, что мышь можно купить в магазине всего за 90 рублей...). В линейность датчиков пришлось просто поверить (позднее я убедился, что линейность соблюдается при количестве отсчетов более 5, а при меньшем - не очень). Первым делом я изучил печатную плату мыши. Я зарисовал дорожки платы и при помощи лобзика вырезал те два участка платы, на которых были установлены фото- и светодиоды и укреплены колесики. Затем по зарисовкам я соединил вырезанные фрагменты длинными проводами (около 35 см) с оставшейся частью платы и убедился в восстановленной работоспособности мыши, подключив ее к COM-порту компьютера.

Следующий шаг состоял в том, как передать вращение маховиков на колесики датчиков мыши. Размеры осей датчиков очень малы, и разбирать крепления осей колесиков не хотелось, так как потом надо было бы еще правильно выставить свето- и фотодиоды относительно колесиков. Я пришел к выводу, что надо непосредственно вращать сами колесики, так как их окружность достаточно ровная. Чтобы не было проскальзываний вращение должно передаваться резиновой поверхностью. Еще раз напомню о своем принципе использования готовых деталей, чтобы объяснить почему я прошелся по магазинам и купил школьный металлический конструктор, в комплект которого входили и пластмассовые шкивы. Кроме того в магазине радиодеталей я купил несколько резиновых прижимных роликов для магнитофона и набор пасиков.
Конструкция для часовой оси возникла чисто случайно: дело в том, что в ТАЛ-150 конструкторы НПЗ не учли того факта, что при установке полярного угла 55 градусов маховик тонких движений часовой оси упирается в ручку регулировки наклона полярной оси. Эту ручку снять очень трудно - в нее вставлен расклепанный штифт. Сам собой напросился выход снять один из маховиков (хорошо, что их два!). Затем я снял с купленного магнитофонного прижимного ролика внешнее резиновое кольцо и одел его на пластмассовую втулку из конструктора.

А втулку прикрутил вместо снятого маховика его же винтом. Из пластин конструктора я соорудил длинную "ленту", которой обжал по периметру часовой привод. И на этих пластинах я укрепил стойку с прикрученным датчиком от мыши. Прижим колесика датчика к резиновому кольцу осуществлялся частично за счет упругости металлических пластин, а частично за счет натяжения резинового пасика, который я натянул соответствующим образом в качестве пружины. Конечно, пришлось отрегулировать прижим так, чтобы колесико датчика мыши "катилось" строго вдоль края резинового ролика и чтобы не было проскальзываний.

На маховике оси склонений такая конструкция неприменима, так как маховик там всего один, и, к тому же, микрометрический винт двигается вдоль своей оси при вращении. Тогда я взял из конструктора пластмассовый шкив, у которого с одной стороны была втулка более маленького диаметра, на которую я и надел резиновое кольцо от другого прижимного ролика. Так же как и в случае часовой оси я прижал колесико второго датчика к резиновому кольцу на втулке, и сам шкив вместе с датчиком установил на стойке из пластин от конструктора на корпусе оси склонений недалеко от микрометрического винта. Затем я соединил шкив и микрометрический винт резиновым пасиком. За счет того, что между шкивом и микрометрическим винтом было около 10 см, движение микрометрического винта вдоль своей оси не очень сильно отклоняло пасик от перпендикуляра к оси и не меняло передаточного отношения между маховиком точных движений и датчиком мыши. В результате на каждую угловую минуту приходился примерно один отсчет датчика мыши по обеим осям.

		Маховик механизма тонких движений оси склонений
		Пасик
		Шкив
		Резиновый валик
Корпус датчика	Колёсико датчика
Подключение датчика из компьютерной мыши к механизму тонких движений оси склонений телескопа ТАЛ-150 НПЗ

Корпус мыши вместе в остатками печатной платы я прикрутил изолентой к корпусу оси склонений и убедился, что длина проводов к датчикам позволяет осям телескопа свободно вращаться (конечно, в разумных пределах - плюс-минус 180 градусов - так чтобы не накручивать провода на оси!). На изготовление этой конструкции я потратил неделю, работая по вечерам.

Здесь необходимо сделать отступление и рассказать, как я обустроил смотровую площадку. Живем мы в пятиэтажном доме, и вокруг много таких же домов, поэтому проводить наблюдения там нет возможности (хотя есть мечта проводить наблюдения на крыше нашего дома, но туда не пускает жилищно-коммунальная организация). Моя мама живет в 10 минутах ходьбы от нас в частном доме в той части поселка, где построены одноэтажные дома. Вокруг ее дома располагается участок 5 соток. Место под площадку я занял в таком месте этого участка, откуда открывается лучший обзор неба. Я вырыл 42 отверстия в земле глубиной от 50 до 70 сантиметров, засыпал наполовину их камнями, а сверху установил торцами вниз купленые в строительном магазине цементные блоки (50см х 20см х 20см). На эти блоки, которые торчали из земли сантиметров на 20, я уложил и укрепил цементом приобретенные в том же магазине бордюрные плиты (45см х 45см). Получилась достаточно ровная горизонтальная площадка размером около 230см на 280см. Дорожку к площадке я тоже выложил бордюрной плиткой. Вдоль всей дорожки я вбил в землю 6 отрезков металлической трубы, в которые установил шесты высотой по 2 метра. На этих шестах находятся проволочные крюки для крепления проводов. Ночью перед наблюдениями я разматываю электрические кабели и подвешиваю их на этих шестах. Площадка находится в 20 метрах от остекленной веранды дома. Днем монтировка и труба хранятся на веранде, а ночью я выношу монтировку на площадку и укрепляю на ней трубу. Так как площадка не идеально ровная, то приходится каждый раз ориентировать полярную ось по высоте. Механизм такой регулировки в самом телескопе достаточно неудобный, поэтому я использую набор из 1-миллиметровых металлических пластин, которые я подкладываю под ножки монтировки и таким образом регулирую полярную ось по высоте с достаточно мелким шагом (около 10 угловых минут). Конечно, обычный настольный компьютер нельзя располагать на улице рядом с телескопом, так как ночами бывает обильное выпадение росы, а в мониторе и блоке питания компьютера - высокое напряжение. Поэтому я разместил компьютер на веранде монитором к оконному стеклу - так чтобы его было видно с площадки. По тем же причинам электрической безопасности я не проводил на площадку напряжение 220 вольт, а вместо этого установил понижающий блок питания на веранде. Из корпуса блока питания выведены несколько разъемов с напряжением 12 вольт. В нем же установлен и блок питания часового привода телескопа. Для подключения осветительных красных лампочек и часового привода я изготовил кабель из изолированных проводов сечением 2.5-кв.мм (так как токи при низком напряжении достигают 3 ампер). Для подключения датчиков телескопа к COM-порту компьютера я применил 10-парный телефонный кабель длиной 25 метров, который нашел в у себя гараже. Разъемы использовал круглые магнитофонные. Я боялся, что при таком длинном соединении мышь работать не будет из-за наводок, но, оказалось, что все работает нормально, и только при включении блока питания телескопа возникает импульсная наводка (силовой провод ведь проходит параллельно все 25 метров). Чтобы можно было с площадки управлять процессом начала и конца измерения, я использовал кнопки все той же мыши (как я писал - ее корпус прикручен изолентой к корпусу телескопа).

Надо обладать суперзрением, чтобы с расстояния 20 метров увидеть цифры на экране монитора, да еще к тому же сквозь решетку и оконное стекло, которое в холодное время запотевает и покрывается инеем. Поэтому в программе я предусмотрел выбор объектов из заранее заведеного списка и ввод координат с клавиатуры, пока я нахожусь на веранде, а затем экран переводился в режим измерения, когда на нем отображаются 2 индикатора в виде вертикальных "стаканов", заполняющихся или освобождающихся при поступлении сигналов от датчиков Ra и Dec. Красный и зеленый цвета использовались для вращения по часовой и против часовой стрелки. Таким образом, на веранде я задавал с клавиатуры опорный и искомый объект, возвращался к телескопу, наводил трубу на опорный объект, нажимал кнопку мыши "старт", а затем вращал маховики тонких движений по часовой стрелке (если соответствующий левый или правый индикатор - зеленого цвета) или против часовой (если - красный). Поиск заканчивался, когда "стаканы" индикаторов опорожнялись и становились белыми. На написание этой программы я потратил около 5 вечеров (с учетом того, что раньше программ с использованием драйвера мыши я не писал). В этой программе я использовал стандартный драйвер мыши для обслуживания прерываний по COM-порту. Первые эксперименты по поиску объектов показали, что при разрешении 1 угловая минута на 1 отсчет датчиков мыши, точность поиска составляет около 10-15 угловых минут при максимальном отклонении по оси склонений - 10 градусов. Я считаю, что это хорошо, так как укладывается в поле зрения окуляра с увеличением телескопа порядка 80 (35 минут для моего телескопа). Правда, иногда возникали какие-то сбои, когда ошибка поиска была больше. В причинах я разобрался несколько позднее. Во-первых, когда я вывел уравнения для преобразования сферических координат при повороте (то есть когда полярная ось телескопа не направлена точно на Полюс мира), выяснилось что при отклонении всего на 1 градус ошибка определения координат в "повернутой" системе может быть достаточно значительной. Во-вторых, выяснилось, что при некоторых условиях колесики датчиков мыши могут проскальзывать относительно резиновых валиков. Для устранения первой причины я использовал линеаризацию по двум пробным измерениям известных объектов в данном участке неба (соответствующие линеаризованные коэффициенты будут действительны только в нем). Вторая причина устранялась более точным и хорошим прижимом колесиков к роликам при помощи резиновых пасиков, исполняющих роль пружин.

Когда мне надоело бегать от телескопа к веранде и обратно, я приобрел ноутбук IBM ThinkPad 760EL в Москве за 450 долларов (фирма продавала большие партии почти одинаковых ноутбуков - видимо, какая-то западная фирма избавилась от старой техники). Мой ноутбук 1997 года выпуска, процессор Pentium 120 mHz, оперативная память 40 Mb, жесткий диск 1 Gb, CD-ROM 6x, звуковая плата, модем 14400. Корпус - как новый (только одна небольшая царапинка). Экран - активная матрица TFT диагональ 12 дюймов. Теперь я устанавливаю на краю площадки большой, но легкий стол (сделан из дерева, а не ДСП). А на столе размещаю ноутбук и принадлежности для телескопа. Для защиты ноутбука от ночной росы я надеваю на него тонкий и прозрачный полиэтиленовый пакет. В дальнейшем планирую изготовить фанерный ящик с наклонной крышкой из оргстекла, чтобы можно было эксплуатировать ноутбук в зимнее время. Для питания ноутбука я также использую один из кабелей, а сам блок питания ноутбука находится на веранде, чтобы на площадке не было 220 вольт. После появления ноутбука отпала необходимость в индикаторных "стаканах", так как экран находился рядом с телескопом. Наконец, вечеров за 10, я написал новую звездную программу. Я не претендовал на совершенную программу-планетарий, а только хотел облегчить поиск объектов. Я завел в базу данных 650 опорных звезд, входящих в видимые в наших широтах созвездия, а также 350 объектов (скоплений, туманностей и т.д.). Программа отображает созвездия, звезды, объекты, линию горизонта, небесный экватор. Естественно можно увеличивать и уменьшать масштаб, включать и отключать параметры отображения объектов и их видимость. Дополнительно может отображаться информация о звездной величине и приблизительном угловом размере. Все это я взял из RedShift3. Во время режима поиска объектов на экране отображается перекрестие, указывающее место, куда в данный момент направлена труба телескопа. Также отображается количество полуоборотов маховиков до искомого объекта.

Использование новой программы вывело наблюдения на новый уровень. Во-первых, мне сразу удалось установить причину ошибок предыдущих методов измерений - проскальзывание колесиков. Это стало заметным по неравномерности перемещения перекрестия. То есть удалось эту проблему решить (после совершенствования прижима). Во-вторых, благодаря отображению перекрестия на карте неба стало легче ориентироваться. Например, я установил, что та галактика, которую я раньше ошибочно принимал за "Квинтет Стефана", на самом деле - соседняя галактика NGC7331. В-третьих, удалось, наконец, обнаружить планетарную туманность "Кошачий глаз". Как я понял, раньше я не мог ее найти из-за того что неправильно представлял ее угловые размеры, а теперь новая программа мне сообщала, что угловые размеры даже меньше, чем у туманности "Кольцо". Вслед за этим удалось найти и туманность "Голубой снежок" (тоже маленькую, поэтому раньше я путал ее со звездой - а сейчас при большом увеличении убедился, что это протяженный объект).

Теперь, об идее создания измерительной системы не относительных, а абсолютных углов. Из интернет-страницы "Звездочета" я узнал о том, что фирма Meade выпускает для своих телескопов компьютерную систему "Магеллан", которая настраивается по двум опорным объектам, а затем позволяет отображать текущее положение осей телескопа. В статье говорилось, что эту систему можно установить на любой телескоп. Сначала я обрадовался, так как по приводимой фотографии мне показалось, что датчики, укрепляемые на осях - индукционные и измеряют относительное пространственное положение от базы. Я тут же связался с фирмой-представителем и узнал цену на систему - 560 долларов. Но потом понял, что там применяются уже известные мне энкодеры с 4000 отсчетами на оборот. Я совершенно не представляю как жестко установить эти энкодеры на наши телескопы (наверное, в телескопах Meade для них есть специальные посадочные места. Если самому приобрести энкодеры и все же установить их каким-то способом на оси, то возникает вторая проблема - неточное наведение полярной оси на Полюс мира. Уравнения преобразования сферических координат при повороте осей, которые я вывел, хотя и не очень сложные, но состоят, естественно, из тригонометрических функций. Необходимо решать систему таких уравнений по начальным условиям - нескольким опорным объектам, чтобы установить реальное положение полярной оси телескопа, а для этого надо придумать как решать эту вычислительную задачу числовыми методами (предварительный обзор показывает большое количество разных типов задач при разных начальных условиях - по крайней мере, мне не удалось пока найти решения). К тому же, надо учитывать люфты в наших монтировках (что непредсказуемо) и дифракцию из-за земной атмосферы на низких углах. Поэтому в настоящий момент я склоняюсь к мысли, что применяемый мной метод относительных углов гораздо лучше (и по денежным затратам тоже!). Может даже интереснее искать объекты, предварительно найдя по карте или по памяти опорную звезду, чем сразу "тупо" направлять телескоп, лишь следя за индикаторами!

В случае необходимости готов сообщить дополнительную информацию. Буду рад критике и новым идеям.