Özel harmonik wave gear ve ESP32 kullanarak bir astronomik teleskop mount'u yapımı

• Yazar, harmonik wave gear (harmonic drive) ve ESP32 mikrodenetleyici kullanarak özel bir teleskop mount'u yaptı
• Mevcut ticari takip mount'ları çok pahalı olduğu için DIY olarak doğrudan tasarlayıp üretmeyi seçti
• PCB tasarım ve üretim süreci, FreeCAD 3D modelleme, bileşen seçimi gibi tüm tasarım sürecini ayrıntılı biçimde anlatıyor
• Toplam üretim maliyeti yaklaşık 1.700 euro seviyesinde ve tek birim maliyet bazında ticari ürünlere karşı rekabetçi
• Kendi yaptığı mount ile OnStepX firmware entegrasyonu sayesinde gerçek gökyüzü çekim performansını ve iyileştirme deneyimlerini paylaşıyor

---

Yeni bir başlangıç noktası

Yazar birkaç yıl önce YouTube astrofotoğrafçılık kanalından ilham alarak astrofotoğrafçılığa ilgi duymaya başladı. Tripod üzerinde kısa pozlamayla yüzlerce kare çekip ardından Siril yazılımıyla birleştirerek Orion Bulutsusu'nu görüntülemeyi denedi. Ancak takip sistemine duyulan ihtiyaç ortaya çıkınca Move Shoot Move tracker satın aldı; yine de hedef gökcisimlerini bulma, kutup hizalaması zorluğu ve yetersiz sonuçlar nedeniyle daha ciddi bir teleskop mount'u yapmaya yöneldi.

PCB üretim deneyiminin genişlemesi

2024'te özel PCB tasarımı ile ilgili bir YouTube videosuna rastladı ve dağınık breadboard düzenleri yerine temiz ve düşük maliyetli üretim amaçlı PCB kullanımını öğrenmeye başladı. İlk proje olarak ESP32, e-paper ekran ve BME680 sensörü kullanan akıllı bir termostat yaptı. Bu deneyimin ardından teleskop mount'unda da PCB tasarım ve üretim becerilerini doğrudan kullanmaya karar verdi.

Derinlemesine araştırma ve topluluk kaynaklarından yararlanma

Tasarımını harmonic drive kullanımı etrafında kurguladı. AliExpress ve çeşitli DIY topluluklarındaki (HEMY, HrEM, DHEM, DIY EQ Mount V2 vb.) açık kaynak çalışmaları inceleyerek bileşen seçimi ve mekanik yapı konusunda çok zaman harcadı. Step motorlar/servo motorlar, FOC kontrolü, SimpleFOC ve çeşitli açık kaynak uygulamalarla topluluk bilgisini de kapsamlı biçimde araştırdı.

Tasarım kararları ve yapı

• RA ekseni (ekvatoryal eksen): 42AIM15 servo motor + Type 17 harmonic drive (100:1 redüksiyon)
• DEC ekseni (deklinasyon ekseni): MKS Servo042D step motor + Type 14 harmonic drive (100:1 redüksiyon)
• Mount ve gövde: Arca Swiss plaka kullanımı, Move Shoot Move wedge ile uyumlu
• Çalışma modu: GEM (ekvatoryal) veya ALTAZ (yatay-dikey)
• Mikrodenetleyici: ESP32-S3
• Güç: USB-C PD en fazla 24V/4A
• Motor kontrolü: step/dir/en, ULN2003 + MODBUS, CANBUS
• Genişletilebilirlik: Kalan GPIO pinleri dışarıya çıkarılmış

Her motorun microstep ve servo kontrol özellikleri sayesinde tasarım sadeleşirken takip hassasiyeti de arttı. CANBUS üzerinden microstep değerinin dinamik olarak değiştirilebilmesiyle yüksek hızlı slew (konum geçişi) ile hassas takip arasında denge sağlandı.

PCB tasarımı ve sorunların aşılması

• KiCad ile kasaya tam oturan yarım daire biçimli PCB tasarlandı
• ESP32-S3 antennasız modül sayesinde yerleşim esnekliği kazanıldı ve USB-C güç giriş devresi (en fazla 24V) benimsendi
• PicoPD açık kaynak devresi ve AP33772 IC kullanıldı. JST PH serisi konnektör seçimiyle kompakt / yüksek kapasiteli bağlantı elde edildi
• İlk IC değiştirme sürecinde I2C kablolama hatası ve yanlış çalışma yaşandı; ikinci sürümde daha fazla doğrulama ve test noktası eklenerek sorun çözüldü

OnStepX firmware entegrasyonu

Açık kaynak OnStepX firmware uygulanarak teleskop kontrolü ve WiFi iletişimi sağlandı. İlk slew hareketlerinde (hızlı hedefe yönelim) ESP32'nin aşırı yüklenmesine bağlı kararlılık sorunları yaşansa da, slew hızını düşürme ve WiFi client moduna geçiş ile bunlar çözüldü. OnStepX için yalnızca uygun pin yerleşim dosyası ve dinamik microstep kontrol kodu eklenerek önemli bir değişiklik yapmadan entegrasyon başarıldı.

Üretim ve montaj süreci

Hem PCB üretimi hem de CNC metal işleme JLCPCB üzerinden yaptırıldı. Önceden 3D baskı testi yapmadan yalnızca CAD çizimlerine dayanarak CNC siparişi vermek gibi cesur bir tercih yapıldı ve sonuçta tatmin edici parça hassasiyeti elde edildi. Yine de ekvatoryal eksen kapağında bir tasarım hatası çıktı; spacer kullanılarak kolayca çözüldü. Tüm parçalar yalnızca M3/M4 kılavuz açma ve vida birleştirmesiyle monte edilebildi. Elle kılavuz çekme işlemi ile üretim maliyeti düşürüldü.

Gerçek kullanım deneyimi

Sayısız kutup hizalaması, kurulum ve yazılım (INDI, KStars, Ekos, PHD2) ayarı deneme-yanılmasından geçerek pratik deneyim kazandı. İlk kullanımlarda irili ufaklı sorunlar yüzünden çekimlerin sık sık başarısız olduğu oldu, ancak kararlılık sürecinin sonunda 1-2 ark saniyesi hassasiyet seviyesine ulaşıldı; bu da 600mm lensle 30 saniyelik pozlama için yeterli sonuç verdi. Görüntü birleştirme için Siril kullanılıyor ve çok geceli stacking gibi ek hedefler üzerinde de çalışılıyor.

Üretim maliyeti ve ekonomik tarafı

Toplam maliyet yaklaşık 1.700 euro (aletler, donanım ve ön araştırma için alınan parçalar dahil). Tek birim maliyete çevrildiğinde yaklaşık 800 euro seviyesinde. Ticari GOTO mount'lara (1.200-4.000 euro) kıyasla yüksek maliyet avantajı sağlasa da, asıl değer doğrudan üretim deneyiminin kendisinde görülüyor.

Kalem bazında birim maliyetler (başlıca ögelerin özeti)

• Harmonic drive (2 adet): 144 euro
• MKS ve servo motorlar (her biri 2 adet): 73-216 euro
• CNC parçalar: 215 euro
• PCB, konnektörler, vidalar, aletler ve diğerleri

Sonuç ve değerlendirme

Yazar, kendi elleriyle üretme deneyiminin ve sorun çözme sürecinin, tasarım-üretim-doğrulama döngüsünün tamamında verdiği tatminin ticari bir ürün satın almaktan daha anlamlı olduğunu vurguluyor. Version 1 PCB başarısızlığı sayesinde dikkatli doğrulamanın önemini öğrendi. FreeCAD ve KiCad becerileri, açık kaynak kullanımı ve genel donanım geliştirme süreci boyunca çok sayıda ders çıkardı. OnStepX firmware ve topluluk kaynakları sayesinde DIY teleskop mount'unun sıradan kullanıcılar için de mümkün bir proje olduğunu göstermiş oldu.

Yıldızları takip eden kendi mount'unu doğrudan yapmak ve onu tamamen anlayabilmek — asıl değerli olan tatmin duygusu da bu.

[GN⁺]

Hacker News görüşleri

• USB-C güç kaynağından çıkan kablonun bir endüktör gibi davrandığı, yani LC filtre yapısı oluşturarak alçak geçiren filtre gibi çalıştığı ve bu yüzden kart üzeri kapasitörlerin gerekli olduğu açıklanıyor; motor anlık olarak büyük akım çektiğinde, endüktör özelliği nedeniyle akım hemen akamaz, bu sırada kapasitör akımı sağlar ve ardından endüktör akımı yavaş yavaş iletmeye başlar

• Gerçekten harika bir proje ve anlatım, zamanlaması da mükemmel; 13 yaşımdan beri amatör astronomiye meraklıyım, birçok teleskoba sahip oldum ve ailemle gece göğünü izleyerek uzun zaman geçirdim; yakın zamanda 10 inçlik SCT ile 4 inçlik Newtonian'ı çıkarıp 7 yaşındaki oğluma Ay'ı ve Satürn'ü gösterdim, anne babamın da görebilmesi çok anlamlıydı; 10 inçlik SCT, GOTO özelliği olmayan eski bir fork mount üzerinde duruyor; GOTO'nun avantajlarını da araştırdım ama yıldızları elle bulmanın keyfi yüzünden hâlâ satın almaya karar veremedim; özel soğutmalı kamera ZWO 585MC'yi aldım; öte yandan yıldız bulmaya çalışırken çok fazla zaman kaybettiğim de oldu; Telrad tek başına yeterli gelmediği için 3D yazıcı ve elektronik bilgimle kendim üçüncü taraf bir mount yapmayı da düşündüm; motorları NEMA 17 step motorlarla değiştirmeyi de değerlendirdim; bu sırada PiFinder diye bir projeyi öğrendim, otomasyonla manuel yönlendirmenin mükemmel dengesi gibi görünüyor https://www.pifinder.io/, 3D baskı ve PCB üretim teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde yakında pek çok sorunu çözebileceğimize dair güvenim arttı

  • GOTO'nun eğlenceli olmadığı yönündeki yorumu okuyunca insanların zevklerinin ne kadar farklı olduğunu bir kez daha fark ettim; bana göreyse en keyifsiz kısım nesneyi bulma süreci, bu yüzden goto mount için minnettarım
  • ZWO kamerayı Kstars/EKOS'a bağlarsanız, yazılım plate solving kullanarak tam olarak nereye baktığını tespit edebilir ve ona göre ayar yapabilir

• Bu harika projede devre izleri hakkında bir noktaya değinmek gerekirse, 24V desteklemek için izlerin çok geniş tutulduğu söylenmiş ama aslında voltaj yükseldikçe akım düşer, dolayısıyla daha dar tutulmaları da sorun olmaz; iz genişliği akıma göre belirlenir, izler arası mesafeyse voltaja göre dikkat edilmesi gereken kısımdır

  • Devre izi genişliği konusunda IPC-2221A standart spesifikasyonu yardımcı olabilir https://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/CURRENT_DESIGN/TP/MATERIALS/IPC-2221A(L).pdf
  • İyi tespit ve açıklamaya katılıyorum

• Blogdan alıntı: "Teleskobu hedefe hareket ettirirken motora gönderilen pulse sayısı artıyor ve bu küçük ESP32 için aşırı yük oluşturuyor"; ben de step motorları yüksek hızda hassas şekilde kontrol ettiğim işler yapıyorum ve en ufak pulse kaybı ya da glitch kabul edilemez oluyor; MCU çekirdeğiyle sınırına geliniyor, bu yüzden timer+DMA ile kontrol ediyorum; en sonunda STM32G4 MCU'nun ACT (Advanced Control Timer) özelliğini kullandım, DMA ile keyfi dalga biçimi üretmek kolay olduğu için çekirdek aşırı yük altında olsa da ya da sleep modunda olsa da timer etkilenmiyor; bu aralar RP2350'nin PIO'sunu da değerlendiriyorum; ESP32'de MCPWM var ama karmaşık hızlanma-yavaşlama profillerini %100 çekirdekten bağımsız gerçekleştirmek için timer'ları kademeli kullanmak ya da interrupt kullanmak gerekiyor, o zaman da yeniden çekirdeğe bağımlı olunuyor ve glitch ihtimali doğuyor; ST'nin ACT yapısında her motor için bağımsız timer olduğundan uygulaması basit, yeter ki datasheet iyi okunsun; özel sürücü IC'leri (Trimanic vb.) de bir yöntem ama yazılım karmaşıklığı benim yaklaşımımdan bile fazla oluyor

  • Bildiğim kadarıyla OnStepX pulse tabanlı çalışıyor, DMA kullanan bir yaklaşıma henüz rastlamadım; bence iki tarafta da pulse yerine CANBUS üzerinden konum komutu moduyla sürmek mümkün olabilir; OnStepX kodunda da bu olasılığı gördüm ama pulse modu başlamak için fazla kolay olduğu için onu seçtim
  • rp2040 üzerinde step motor kontrolünde PIO'yu da düşündüm ama 5 bit sayaç ve 32 komut sınırı nedeniyle kullanması zordu; onun yerine ikinci çekirdeği hareket kontrolüne ayırıp bit-bang yöntemiyle step/dir sinyali üretmek, tek eksenli trapezoid profil için yeterince işe yarıyordu
  • MCU ile step motor kontrolünün nereye kadar gidebildiğini merak ediyorsanız, Merlin 3D yazıcı firmware'ine bakmanızı öneririm; küçük 8 bit AVR MCU'larla bile delta yazıcılar için karmaşık hesaplamalar yapabiliyor
  • ESP32'de RMT de var diye biliyorum, o yöntem hiç düşünülmedi mi merak ettim

• freeCAD'i üç yıldır kullanıyorum; bu projede ortaya çıkan sonuca gerçekten hayran kaldım; freeCAD'i seviyorum ama bu kadar inatçı biçimde rahatsız edici ve sinir bozucu bir deneyim yaşadığım başka pek az yazılım oldu

  • FreeCAD için minnettarım ama proje karmaşıklığı arttıkça rastgele çökmeler gerçekten çok yıpratıyor; yine de çoğunlukla ihtiyaç duyduğum şeyler, nasıl yapılacağını bilirseniz FreeCAD'de gerçekleştirilebiliyor; başka CAD yazılımlarını kullanmamış olmak belki de FreeCAD'de kalmama yol açtı
  • Yedi yıldır hobi amaçlı FreeCAD ile modelleme yapıyorum ama ilk kez kullandığım özelliklerde kullanıcı deneyimi hâlâ tıkayıcı olabiliyor; FE geliştiricisiyim ve QA ölçütlerini biliyorum, FreeCAD'de bunların altında kalan çok UX var; overconstrain hata ve uyarılarının farkını anlamak için forumlara bakınca performans gerekçesiyle bunun bilinçli bir politika olarak savunulduğunu gördüm, asıl sorun da ileri seviye kullanıcıların gatekeeping tavrı; düzgün UX uzmanlarına ve topluluk yöneticilerine ciddi ihtiyaç var
  • OnShape ile FreeCAD'i dönüşümlü kullanıyorum ve OnShape'in cilalı bütünlüğüne hayranım; ama satın aldığım modeller yüzünden OnShape'in ücretsiz katmanına yükleyemiyorum; FreeCAD ile yapılabiliyor ama “bir saatte biter” diye başlayınca iş genelde sabahı buluyor
  • FreeCAD'in varlığı başlı başına harika ve olgunlaşmasını sabırsızlıkla bekliyorum; yine de hızlı sonuç almak istiyorsanız Autodesk Fusion'ın ücretsiz katmanını öneririm; ilke olarak yalnızca OSS kullananlara uymayabilir ama hobi kullanımı için fiilen kısıtsız sayılabilecek kadar kaliteli; OSS olmadığı için dışlanıyormuş gibi görünüyor ama yazılım seçiminde işlev odaklı daha geniş bir alan olsa iyi olurdu
  • ChatGPT ve Claude bu tür işlerde çok yardımcı oluyor; dokümantasyonu fena olmayan yazılımlarda yapay zeka, iş akışını adım adım gayet anlaşılır şekilde açıklayabiliyor; tamamen uzmanlık isteyen ya da referansı az alanlarda sınırları var ama gözünüz kapalı sağa sola tıklamaktan ya da YouTube videolarını hızla taramaktan çok daha hızlı; temel kavramları oturtmak için ondan bir çalışma rehberi de hazırlamasını isteyebilirsiniz; yine de yapay zekanın halüsinasyon ve hata üretebileceğini unutmamak, mutlaka link ve kaynak istemek gerekir

• Teleskop mount ile doğrudan hassas ölçüm yapmaya, örneğin kendi başıma gezegensel astrometri denemeye büyük ilgi duyuyorum; sırf kendi ölçümlerinle gezegen yörüngesini çözmeye çalışmak, Kepler gibi eski astronomların yolunu yeniden yürümek gibi geliyor

  • Gerçekten çok eğlenceli bir konu; güzel fotoğraflar çekme hobisinin ötesine geçip amatör gözlem verilerinin araştırmalarda kullanılabileceği bir sistem tasarlamayı düşündüm; tek kare ham görüntülerle birlikte meta veriler (zaman, koordinatlar, kalibrasyon kareleri vb.) paylaşılırsa, topluluk olarak hem bilimsel araştırmalara katkı sağlanabilir hem de daha güzel görseller üretilebilir; Vera C. Rubin Observatory birkaç gün içinde tüm güney yarımküreyi görüntüleyebiliyor; böyle bir yazılımın küresel bir crowdsourcing astronomi dizisine dönüşmesi müthiş olurdu
  • Aslında gezegen konumunu hassas biçimde bilmek için teleskop mount'unun konum düzeltmesinden çok, gezegeni merkeze alarak çekilmiş görüntüyü çevredeki yıldızların sabit koordinatlarıyla karşılaştırıp konumu çıkarmak çok daha doğrudur; mount'un kendisini kusursuz biçimde kalibre etmek neredeyse imkânsıza yakındır; yıldızlara göre göreli koordinat yöntemi inanılmaz derecede hassastır
  • Bir başka ilginç proje de ötegezegen transit ışık eğrilerini ölçmek; yakın ötegezegenler sadece fotoğraf lensiyle bile arka bahçeden gözlemlenebiliyor; örnek olarak ASI178MM-c ve Canon FD 300mm ile bir amatörün gözlem örneği paylaşılmış https://astropolis.pl/topic/60163-wasp-10-b-w-pegazie-1270-mag-00340-mag/
  • Tam anlamıyla first principles olmasa da, Seestar S50 roboscope ve bir diffraction grating kullanarak yıldızların emisyon spektrumunu ölçenler de var
  • Bu arada Kepler, teleskop kullanmadan Tycho'nun çıplak gözle yaptığı gözlem verileriyle çalıştı

• Gerçekten çok güzel bir proje; PCB tasarlanırken uygun kapasitörler, dirençler vb. tam eklenmemiş gibi görünüyor ve mikrodenetleyici kararlılığı düşük kalmış; insanlar gerekli bileşenlere, örneğin decoupling kapasitörlerine, nasıl karar veriyor merak ediyorum; datasheet okuyup yazan her şeyi birebir uygulamak mı gerekiyor?

  • Datasheet kontrolü şart; çoğunda mutlaka referans alınması gereken zorunlu devre örnekleri bulunur; bunun dışında iyi alışkanlıklar arasında çip pinlerinin yakınına decoupling kapasitörleri koymak, ground'u sağlamlaştırmak ve referans yerleşimi takip etmek yer alır; deneyimli mühendislerin karar sürecini anlattığı içerikler de çok faydalıdır (ör. https://www.youtube.com/watch?v=aVUqaB0IMh4)
  • Neredeyse tüm bileşen datasheet'lerinde minimal devre ve referans tasarım bulunur; ground plane kullanımı, sinyal hattı uzunlukları gibi konularsa çoğu zaman ayrı application note'larda anlatılır
  • Mikrodenetleyici devresi tasarlarken, devresi açık yayımlanmış geliştirme kartlarına bakmak iyi bir başlangıç noktası sağlar
  • Datasheet kontrolüne ek olarak, tüm güç pinlerine mümkün olduğunca yakın decoupling kapasitörleri koyup PCB'nin bir yüzünü ground plane yapmak çoğu sorunu çözer

• CNC metal parçaları sipariş ederek üretmiş olması özellikle etkileyici; ben de CAD'e yeni başlayan biriyim ve öğrenmek istiyorum

  • Yerel bir makerspace'e üye olup atölyeyi kullandım; CNC makinesi için eğitim ve sertifikasyon aldım, film çekim ekipmanları için basit metal plakaları CAD ile tasarladım; basit bir G-code üreticisi vardı ve simülatörle çarpışma kontrolü yapabiliyordum; ama gerçekten üretime geçeceğim her seferde birileri kafayı bozup makine başlığını kırdığı için cihaz kapalı oluyordu, sonunda parçayı elle yaptım ve bazı ölçüler tam tutmadı; CNC hizmeti olduğunu bilseydim doğrudan ona yaptırırdım diye hayıflanıyorum
  • Aslında oldukça basit; STEP dosyasını yüklüyorsunuz, sistem anında fiyat teklifini ve üretilebilir olup olmadığını gösteriyor https://jlccnc.com/cnc-machining-quote

• Gerçekten harika bir proje; PCB üretim maliyetinin montajdan mı kaynaklandığını merak ediyorum; JLCPCB'de 2 katman, 100 mm altı, HASL kaplama gibi temel seçeneklerle kart ucuz oluyor ama USB konektör için plaka slotu ek maliyet yaratıyor mu, bir seferde kaç adet montaj siparişi verildi, standart/genişletilmiş parça kütüphanesi dağılımı nasıldı, konektörleri ayrı lehimleseydiniz maliyet ne kadar değişirdi, genişletilmiş kütüphaneden tek bir parça bile olunca tüm parçaların tek tek pick-and-place maliyetine mi giriyor; yani asıl tasarruf kaleminin parça türlerini azaltmak olup olmadığını merak ediyorum

  • Maliyetin ana nedeni gerçekten montaj; kart JLCPCB'de 2 katmanlı ve temel seçeneklerde, sadece renk siyah seçildiği için küçük bir artış oldu; beşli sipariş verildi çünkü minimum miktar buydu; mümkün olduğunca standart kütüphaneye uymaya çalıştım ama pasifler dışındaki parçalarda bunun sınırı var; through-hole parçaları kendim lehimlesem ne kadar fark ederdi bilmiyorum ama önemseyeceğim kadar büyük olmazdı; parça çeşidini azaltmak kesinlikle doğru yaklaşım; örneğin 4k ve 6k direnç gerekiyorsa, beş tane 2k kullanarak çözmek daha avantajlı olabilir

• Gerçekten etkileyici bir proje; ben de kendi teleskobum için büyük bir harmonic drive mount almayı düşünmüştüm ama fiyat eşiği çok yüksek; EKOS/Kstars/INDI araçlarını kullanırken de epey deneme yanılma yaşadım; Python'dan indi cihazlarını kontrol etmek için yazdığım bir kod var https://github.com/dahlend/contindi

  • Bu kodu hangi motivasyonla yazdığınızı merak ettim; çünkü EKOS'un kendi zamanlama özelliği de gayet iyi görünüyor; ben de MeLE 4C mini bilgisayarda INDI server çalıştırırken bir terminal arayüzü (TUI) yazmıştım https://www.svendewaerhert.com/content/blog/telescope-mount/inditui.png, GNOME uzak masaüstünün kararlılık sorunları yüzünden headless/uzak INDI server yapısına geçtim, yakında TUI kodunu da biraz temizleyip Github'a koymayı planlıyorum