Entwicklung einer Teleskop-Nachführung



  • Hallo miteinander,

    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) gebaut.
    Bis jetzt klingt das alles nach einer reinen "Foren-Verfehlung", deswegen nun der eigentliche Grund für den Post hier im Forum:
    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


  • Mod

    Das klingt ja nach einem coolen Projekt 👍 .

    Aber wenn du wirklich gute Antworten möchtest, solltest du präzisere Fragen stellen. Derzeit klingt dein Beitrag nach "erklärt mir mal alles, was es dazu zu wissen gibt". Darauf wird kaum jemand antworten, da man dir zu 90% etwas erzählen wird, was du entweder schon längst weißt oder etwas, das du noch nicht verstehst.



  • Danke für deine Antwort/Hinweis SeppJ,

    also ich beginne mal das Projekt und die Probleme in kleinere zu zerlegen. Am wichtigsten wäre es mir einen Überblick , auch finanziell, zu erlangen welche elektronsichen Elemente dieses Projekt verlangt. Wie gesagt habe ich mit Elektronik noch nie richtig gearbeitet, höchstens mal einen Elektromotor gebaut :D.
    Ziel ist es eine C++ Anwendung zu entwickeln welche über USB zwei Schrittmotoren ansteuern kann, welche wiederrum das Teleskop bewegen.
    Was mein Halbwissen liefert: PC --USB--> Microcontroller ----> Schrittmotortreiber ----> Schrittmotoren

    So weit der elektronische Aufbau. Der verlinkte Microcontroller muss ja letztendlich keine Berechnungen durchführen, nur die Signale vom Rechner an die Motoren weiter geben. Die Motortreiber sind auf jeden fall von Nöten, da die Schrittmotoren bei weitem mehr Strom benötigen als der Microcontoller liefert.
    Jetzt kommt wieder mein Unwissen ins Spiel:
    Welche Treiber brauche ich und welche Schrittmotoren?
    Immerhin muss ein ca. 10kg schwerer Tubus sehr fein und präzise (entweder im Mikroschrittbetrieb oder eben mit einem geeigneten (Schnecken-)Getriebe zwischen Motor und Teleskopachsen) bewegen.
    So weit so gut,

    ich hoffe ich konnte die ersten Teile der Probleme ein wenig konkreter darstellen.

    Mfg, Alex



  • Hört sich an wie eine Aufgabe für den Raspberry Pi, der kann die Bildverarbeitung gleich mitübernehmen.
    http://www.raspberrypi.org/phpBB3/viewtopic.php?f=41&t=2639&p=34567



  • Golfi1812 schrieb:

    Dieses System birgt eine sehr hohe Präzision und gleicht Selbst-Bau-Bedingte Ungenauigkeiten am Dobson aus.

    Tut es nicht.

    Es hat seinen Grund warum diese EQ Plattformen so massiv sind und wegen dem Materialbedarf und der Präzision dann auch so teuer sind.
    Jeder Motor der sich bewegt wird zweifelsfrei zu Erschütterungen führen, insbesondere gilt das dann, wenn dein EQ nicht besonders massiv gebaut ist.
    Es gibt Leute die legen sich ein Betonfundament in den Garten, nur für ihr Teleskop und das kriegt dann noch Schwingungsdämpfer usw. damit man ja nicht mit den eigenen Schritten das Teleskop in Schwingung versetzt.

    Außerdem wackelt dein Ding schon, wenn die Motoren nachregeln müssen.
    Bedenke hierbei bitte auch, dass du Langzeitbelichtungen machst, d.h. jede Korrektur wird man auf dem Bild als Verschmierung sehen.

    Ich habe mir auch schon oft Gedanken gemacht mir ein Teleskop mit allem drum und dran zu bauen, aber ich bin zu dem Entschluss gekommen, das man da zu viel Geld reinstecken muss (> 10000 €) um überhaupt aktzeptable Ergebnisse zu erzielen.
    Ich würde dir daher Vorschlagen es bei dem Dobson zu belassen und dir die Bilder vom Hubble Teleskop anzusehen.
    Im Internet gibt es für Wissenschaftlich Interessierte von den Prof. Astronomen Projekte bei der eine Vielzahl von Usern dabei helfen soll, bereits auf den großen Teleskopen fotografierte Bilder wissenschaftlich auszuwerten.
    Heise.de hat darüber AFAIK auch mal vor ca. 5-6 Jahren etwas berihctet.

    Wenn du dich also wissenschaftlich betätigen willst, dann macht das lieber darüber.

    Bis du nämlich selbst brauchbares Equipment zusammenhast, wirst du noch sehr viel Geld investieren müssen.

    Ich selbst bin zu dem Entschluss gekommen, das es finanziell zu teuer wird und es andere Hobbys gibt, die einem besser ausfüllen.
    Man könnte z.B. einen autonomen Quadcopter bauen, das ist wesentlich günstiger, erfordert keine so präzisen Materialen aber trotzdem genug Hintergrund wissen so dass man sich damit richtig austoben kann.

    Insofern rate ich dir von deinem Vorhaben ab.

    Natürlich kann man nie wissen ob du vielleicht mal nen Glückstreffer landest und einen Asteroiden entdeckst, der dann nach dir benannt wird, aber ohne entsprechende Ausrüstung wirst du nicht weit kommen.

    Wissenschaftliche Astonomie mit Bildauswertung für wenig Geld, das funktioniert nicht.

    Das ganze ist ein für meine Verhältnisse relativ großes Projekt, zumal ich wie gesagt auf Elektrotechnischer Ebene absoluter Anfänger bin.

    Die elektronik ist noch das geringste Problem, das größte ist die Mechanik.

    Ohne eine brauchbare Fäßmaschine wirst du da nicht weit kommen.
    Bau dir also erstmal eine gute CNC Fräße, da kannst du dann das ganze mit der Nachführung usw. üben.
    Die CNC Fräße allein wird aber auch sicher 10000 € kosten, wenn sie was taugen soll.

    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.

    Im übrigen fragst du hier die richtigen.
    Hier sind Programmierer, keine Maschinenbauer und Werzeugmacher unterwegs.



  • Ich weiß ja nicht...

    Ich denke, Du solltest schon einen kontinuierlichen Antrieb nehmen. Weil die Sternchen sich ja auch kontinuierlich bewegen. Wozu mit Schrittmotoren ruckenl? Die Geschwindigkeit gerne per Leitstern sanft anpassen.

    Aber das Haupt-Ding wird Lucky Imaging sein.
    http://de.wikipedia.org/wiki/Lucky_Imaging

    Und natürlich rauskalibrieren, welche Pixels der Kamera heller oder rauschiger sind.



  • volkard schrieb:

    Ich weiß ja nicht...

    Ich denke, Du solltest schon einen kontinuierlichen Antrieb nehmen. Weil die Sternchen sich ja auch kontinuierlich bewegen. Wozu ruckenl? Die Geschwindigkeit gerne per Leitstern sanft anpassen...

    Ja, die erforderliche Rotationsgeschwindigkeit lässt sich doch berechnen (Die ist bei Planeten und Mond natürlich anders als bei den Sternen) An sonsten kannst du so eine Art Halb-Automatik bauen, bei der die Geschwindigkeit aus der manuellen Nachführung gemessen und auf die Motoren übermittelt wird. Wie das geht, keine Ahnung 😃 Aber so ein System hab ich letztens mal im Handel gesehen



  • hallo

    zu dem thema gab es mal einen artikel in der c't. da wurde eine halterung eines hobbyastronomen vorgestellt, dessen meisterprüfung das war. vielleicht findest du ja was dazu.

    chrische



  • Hallo Golfi1812,

    um Dir erst einmal grundlegend zu zeigen was für Astrofotografie nötig ist, hier einmal ein paar Effekte die dabei auftreten.
    Wenn Du eine normale Kamera auf den Polarstern richtest und längere Zeit belichtest, wird der Polarstern ja als Punkt und alle anderen Stern als Strich dargestellt, Kreisförmig um den Polarstern. Das liegt ja daran das der Polarstern das Optische Zentrum ist. Wenn Du nun per Autoguider einen anderen Stern verfolgst aber eine azimutale Aufstellung des Teleskops hast (wozu ja ein Dobson gehört), erhältst Du den selben Effekt, da sich dein Bildfeld um den nachgeführten Stern deht. Es gibt so genannte Bildfeld Rotatoren, die zwischen Okularauszug und Kamera gebaut werden und somit die Drehung ausgleichen. Nur damit wäre dann mit einer solchen Montierung das Fotografieren möglich.

    Mit einer parallaktischen Montierung wird diese Drehung von vornherein ausgeglichen, unter der Voraussetzung das die Montierung richtig aufgestellt worden ist. Ist das der Fall, muß nur noch eine Achse angetrieben werden um die Erddrehung aus zu gleichen(RA - Achse). Hierführ werden in der Regel Schrittmotoren im Mikrosteppbetrieb verwendet, um die Schwingungen auf dem Teleskop so gering wie möglich zu halten. Sollte die Montierung nicht richtig aufgestellt sein, muß zusätzlich die zweiten Achse (DEC - Achse) ausgeglichen werden.

    Dein 10" f/5 hat ja 1270mm Brennweite. Um ihn fotografisch ein zu setzen wird eine GP - Motierung vermutlich nicht reichen, da sie für das Gewicht nicht ausgelegt ist. Selbst die GP-DX sollte da noch auf wackligen Beinen stehen, da sie nur 11kg trägt. Leider ist es so das die Montierungen das zwar zum Beobachten tragen können, aber Fotografisch mit dem Gewicht Deines Teleskopes nicht wirklich klar kommen. Eine EQ6 Pro Montierung trägt schon 18kg was Dir fotografisch etwas Spielraum geben würde. Dazu müstest Du aber als erstes prüfen, ob Dein Dobson überhaupt stabil genug im Tubus ist um ihn so Aufhängen zu können. Da beim Dobson ja auf Hauptspiegelhöhe gelagert wird, ist das Rohr/Gestell bis zum Fangspiegel oft eher im Leichtbau ausgeführt.

    Eine Montierung selber zu bauen scheitert oft an fehlenden Bearbeitungsmöglichkeiten wie Drehen und Fräsen sowie an brauchbaren Schneckengetrieben. Aber selbst wenn Du dies auf die Reihe bekommst, ist der Weg noch sehr weit zur Fotografisch verwendbaren Monierung. Der kontinuirliche Schneckenfehler, den jede Schnecke hat, sowie das Getriebespiel sollte Programmtechnisch ausgeglichen werden. Die Nachführung per Autoguider ist da oft erst der letzte Schritt um die Präzision zu erhöhen. Beim Autoguiden gibt es mehrere Möglichkeiten.
    1. Du führst über ein Zweites Teleskop nach welches fest mit mit dem anderen verbunden ist. Hierbei spielt es eine große Rolle welche Pixelauflösung Du am Guider hast und welche auf dem Sensor der das Bild macht. Angenommen der Guider würde eine Auflösung von 2 Bogensekunden am Himmel haben und Deine Kamera zum Fotografieren nur 1 Bogensekunde so wäre deine maximal Auflösung auf dem Bild trotzdem nur 6 Bogensekunden. Der Grund ist das der Guider im besten Fall ja um ein Pixel in alle 4 Richtungen nachführen kann und ein Pixel im Zentrum plus ein Pixel links und rechst daneben sind dann schon 6 Bogensekunden. Hinzu kommen Ungenauigkeiten durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der beiden optischen Tuben oder der Halterungen.
    2. Genauer geht es mit einem off axis guider. Hier werden am Okularauszug zwei Kameras montiert, eine zum Nachführen und eine zum Fotografieren. Die Auflösung des Guiders ist so wesentlich höher, dafür wird es wesentlich schwieriger in dem winzigen Ausschnitt einen Leitstern zu finden.
    3. Man benutzt nur eine Kamera zum Fotografieren und guiden. Diese Technik wird ja zum Beispiel auch bei Hubble verwendet. Wodurch in den Bildern immer ein Ausschnit fehlt.

    Wenn Du also keine parallaktische Montierung verwenden willst, bleibt dir eh nur Möglichkeit 2 und 3 über mit Zugabe eines Bildfeldrotators. Ob man das allerdings sauber zum laufen bekommt, wage ich zu bezweifeln.

    Um zu Deiner Frage nach der reinen Elektronik zu kommen. Um eine Montierung jeglicher Art nachführen zu können bedarf es keines PC's. Ein einfacher Microchip genügt vollkommen. Bei einer parallaktischen Montierung erzeugst Du nur die Frequenz um deine RA-Achse in ca. 24h einmal um seine Achse zu drehen und stellst Frequenzen bereit zur Bewegung der DEC-Achse.
    Bei einer azmutalen Montierung müssen die Bewegungen beider Motoren eine Kreisbahn bilden, was also je nach Abweichung vom Pol schneller bzw. langsamer geschied. Beide Steurungsarten werden über 4 Tasten für die Himmelsrichtung gesteuert. Ein Autoguider macht nun nichts weiter als auf diese 4 Tasten zu zugreifen und die dementsprechende Bewegung aus zu lösen. Das könnten im einfachsten Fall kleine Relais sein deren Schaltkontakte parallel zu den Tastern geschaltet sind.

    Der Antieb würde dann nichts weiter sein als zwei Schrittmotoren und dazu gehörigen Schrittmotortreibern welche über Takt- und Richtungseingang verfügen. Wie Stark die Motoren sein müssen, hängt von der Montierung ab, wie viel Drehmoment auf den Schnecken benötigt wird. Die Schrittmotorsteurungen und Motoren sollten mit 12V auskommen, da man ja auf dem Acker keine Steckdose hat und ein Accupack oder Zigarettenanzünder vom Auto nun mal die einfachste Lösung ist. Dabei sollte die Auflösung der Motoren und Getriebe wesendlich höher sein als die der Optik, wodurch meist zusätzliche Zwischengetriebe nötig werden.

    Um auf Deinen Einwand des Transports zu kommen. Ich selber besitze eine CGE-Pro Montierung welche schon sehr groß und robust ist. Dazu ein 10" RC Teleskop nebst weiterer Teleskope die immer mit auf reisen gehen, Kameratechnik, Okularkoffer, Stromversorgung... Da ich nur einen Kleinwagen fahre, muß ich dafür schon die Rücksitze umklappen, habe aber bisher immer alles weg bekommen. Trotzdem ist es immer eine schlepperei, das gebe ich schon zu.
    Leider ist es in der Astronomie und vorallem in der Astrofotografie immer mehr der Fall, das gute Ergebnisse immer vom bewegten Gewicht und dem technischen Aufwand abhängen, der nun mal meistens sehr viel Geld kostet. Da ich auch nicht Krösus bin und weder die Eier legende Wollmichsau, noch ein Esel-Streck-dich sich nicht in meinen Stall verirrt hat, muß ich auf viele Dinge auch lange Sparen. Aus frust habe ich es auch schon mal ein paar Jahre ruhen lassen. Habe selber Montierungen gebaut die bis 60kg tragen können. Leider wurde ich in meinen Entwicklungen immer wieder vom Markt eingeholt. Dinge wie GoTo-Steurungen die ich mir vor 10-15 Jahren noch mühsam erarbeitet habe, gibt es heute fürn Appel und nen Ei. Wenn Dein Interesse an der Astronomie nicht gebrochen ist, rate ich Dir, Dich mal mit den EQ6 Pro Montierungen auseinander zu setzen. Die sollten Dein Teleskop gut tragen und die Kosten halten sich für eine Montierung in dieser Traggewichtsklasse noch in Grenzen. Zum Fotogafieren sollte man die Montierung aber noch etwas tunen. Sicher kann man auch DAS Geld nicht aus dem Ärmel schütteln, aber andere Montierungen dieser Traggewichtsklasse kosten ein vielfaches davon.

    Ja, wenn man es richtig machen möchte, sind die Kosten schon sehr hoch und 10000 Euro, wie ober angesetzt wurden, eher sehr tief gestapelt. Dazu kann ich nur sagen, es ist nun mal Hobby, was bedeutet der größte mögliche Aufwand mit dem geringst möglichen Nutzen. Verglichen mit anderen Hobbys wie zum Beispiel Motorad fahren sind die Einstiegskosten etwa gleich dafür die Folgekosten gering. Den Diesel bis zu meinem 26km entfernten Beobachtungsplatz kann ich vernachlässigen und den Strom zum Auftanken meines Accus auch.
    Dafür entschädigen die Ergebnisse, vor allem wenn man sie voller Stolz präsentieren kann.

    LG

    Susann


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