Телевизионный автогид

[Павел Бахтинов]

Идея этого проекта появилась у меня еще несколько лет назад - сделать автономный (без использования компьютера) автогид, работающий от любого источника видеосигнала телевизионного формата, в частности, от охранной видеокамеры. Работа по проекту шла медленно, с большими перерывами, но вот, в апреле этого года демонстрационный вариант устройства был, наконец, готов. Свой "первый свет" он мог бы увидеть еще на Астрофесте, но погода не оставила для этого ни малейшей возможности . И, хотя предварительное опробование автогида состоялось тогда же, весной, полноценные его испытания (с фотографированием дип-скай объектов) удалось провести лишь в сентябре-октябре этого года.

Принцип действия "телевизионного" автогида ранее обсуждался в форуме (https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,3373.0.html). Специальная схема вырабатывает синхронизированные с поступающим с видеокамеры TV-сигналом импульсы, формирующие на телеэкране изображение маркера в виде небольшого прямоугольника, поделенного центральным перекрестием на четыре равные части. Схема формирует также последовательность стробирующих импульсов, управляющих четырехканальным аналоговым коммутатором таким образом, чтобы на подключенных к выходам коммутатора интегрирующих цепочках выделялись средние уровни видеосигнала, соответствующие интегральной яркости каждого из четырех квадрантов маркера. Эти средние за полукадр уровни оцифровываются входящим в состав схемы микроконтроллером, и вся дальнейшая обработка (вычисление рассогласований по часовому углу и склонению, формирование необходимой АЧХ регулятора, генерация импульсов управления монтировкой) производится программным путем. Сверху и снизу к маркеру прилегают также небольшие дополнительные прямоугольные площадки, служащие для измерения фонового уровня видеосигнала, что позволяет автоматически нормировать сигналы рассогласования при вариациях яркости ведущей звезды, а при снижении яркости ниже допустимого уровня (напр., в случае прохождения небольшого облака) - автоматически приостанавливать выдачу гидирующих импульсов.

Кроме видеокамеры, к автогиду подключается видеоконтрольное устройство (ВКУ), в качестве которого я использовал малогабаритный телевизор на ЭЛТ. В самом процессе автогидирования ВКУ никак не участвует, оно необходимо лишь для поиска ведущей звезды и совмещения с ней маркера. В принципе, возможен алгоритм автоматического поиска звезды в пределах кадра (пока мной не реализованный), однако, как недавно выяснилось, автогид с ВКУ очень удобно использовать также для установки полярной оси модифицированным методом дрейфа (https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,9971.0.html), поэтому, в любом случае, ВКУ желательно иметь в комплекте. Можно, наверное, подобрать совсем маленький телевизор на ЖКИ и носить его в кармане (чтобы не замерз), ненадолго подключая к автогиду только для контроля, или на время перенацеливания на очередную звезду.

Монтировка управляется автогидом через оптроны, что позволяет, путем простой коммутации в кабеле, реализовать различные варианты подключения, в том числе и непосредственно к кнопкам гидирования (для монтировок, где порт автогида не предусмотрен).
Питается автогид от источника постоянного напряжения 12В, причем возможно как использование отдельного сетевого адаптера, так и питание автогида (и подключенного к нему ВКУ) со стороны монтировки (напр., если последняя запитана от автомобильного аккумулятора).

Автогид имеет четырехразрядный семисегментный светодиодный индикатор и шесть кнопок управления. На индикаторе могут отображаться (по выбору) значения различных величин и параметров, большей частью необходимых лишь в процессе отладки системы. Из них полезными при штатной работе могут оказаться текущее значение яркости ведущей звезды (в относительных единицах), а также экранные координаты маркера (используемые для установки полярной оси вышеупомянутым модифицированным методом). Две кнопки из шести служат для вызова меню параметров и меню режимов, остальные четыре - для перемещения маркера по экрану, а также для перебора пунктов меню (краткие наименования и значения которых отображаются при этом на индикаторе).

С помощью меню параметров настраиваются: радиус экранного изображения ведущей звезды (в пикселях); фокусное расстояние гида; скорости коррекции монтировки по часовому углу и склонению (% от звездной); минимальная длительность импульса управления монтировкой и др. Можно было бы сократить число параметров, задавая непосредственно коэффициенты передачи регулятора, однако, я посчитал неудобным делать во время наблюдений какие-либо вычисления (пусть прикидочные), поэтому пульт управления автогида выполняет в данном случае роль калькулятора. В будущем планируется написать алгоритм автокалибровки, в результате которой автогид мог бы определять необходимые параметры самостоятельно.

Меню режимов содержит три пункта: "Stop", "Guid" и "Self". Действие режима "Stop" понятно из названия, режим "Guid" - это штатное гидирование с выдачей корректирующих импульсов на двигатели одной или двух осей (настраивается). В режиме "Self" никаких импульсов на монтировку не выдается, но ведущая звезда автоматически сопровождается маркером, который перемещается вслед за ней по экрану. Этот режим "самогидирования" задуман как вспомогательный, используемый при автокалибровке, а также при полуавтоматической установке полярной оси. Поскольку эти алгоритмы еще не реализованы, режим "Self" на практике пока не применяется.

Выдачу корректирующих импульсов на монтировку в режиме гидирования можно контролировать по вспышкам четырех треугольных светодиодов на передней панели автогида. В пассивном состоянии светодиоды также слегка подсвечены, чтобы было легче в темноте разглядеть направление коррекции.

Дискретность регулирования длительности корректирующих импульсов - 20мс, но если вычисленное значение длительности оказывается меньше определенной величины (настраивается в пределах 0.02-0.1с, в зависимости от свойств монтировки), то корректирующий импульс не выдается. Период следования импульсов коррекции по часовому углу - 0.32с, по склонению - 1.28с. Соответственно, в канале склонения больше время накопления сигнала и меньше уровень случайных шумов. Кроме того, длительность корректирующего импульса по склонению ограничена также и сверху (тем в большей степени, чем больше скорость соответствующего двигателя монтировки), что должно свести к минимуму возможные перерегулирования при выборе люфта редуктора.
В каналах обеих осей применены простые регуляторы пропорционального типа. Предварительное моделирование в MatLab'е показало, что в условиях дискретно-импульсного управления монтировкой (при сравнительно низкой частоте следования корректирующих импульсов) пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор работает неустойчиво (из-за прохождения вариаций скорости через дифференциальный канал), а пропорционально-интегральный не имеет кардинальных преимуществ перед пропорциональным. В режиме "Self" подобные ограничения отсутствуют, и там применены полноценные ПИД-регуляторы.

Испытания автогида проводились с использованием приобретенной еще несколько лет назад ч/б охранной видеокамеры VQ25B (заявленная чувствительность 0.05лк при F/2.0, матрица Samsung S5F329PW02), установленной в специально изготовленный корпус с улучшенным теплоотводом. Оптика гида - на базе переделанной 70-мм трубы ЗРТ-457, с 2х ЛБ дающей Fэкв около 1м. Фотографический инструмент - 200-мм Максутов-Кассегрен ТАЛ-3 (не пошедший в серию на НПЗ опытный образец), съемка проводилась в прямом фокусе (F=1.6м) на пленку Kodak TechPan, гиперсенсибилизированную водородом. За 5 наблюдательных ночей было сделано около 20 снимков с длительными (50-60мин) выдержками, и, хотя, по разным причинам, не все из них получились стопроцентно удачными, замечаний собственно к автогиду выявлено не было (некоторые снимки из этой серии покажу позже в других темах). Гидирование производилось по звездам 2.9-5.6m (в большинстве случаев - в диапазоне 4.5-5.5m). Это не предел для данного состава аппаратуры, более слабые звезды не использовались, в основном, из-за конструкции искателя (коллиматорный с красной точкой), т.к. плохо видны невооруженным глазом. К сожалению, не удалось опробовать автогидирование по склонению, поскольку я не успел изготовить и установить соответствующий электропривод на свою монтировку (уход по склонению контролировался визуально по положению звезды относительно маркера на телеэкране, соответствующие коррекции вносились вручную). По мере готовности аппаратуры испытания будут продолжены.

[Павел Бахтинов]

Общий вид автогида в комплекте. Показан вариант электропитания от источника постоянного тока напряжением 12В через разъем монтировки (в верхней части корпуса).

[Павел Бахтинов]

Вид с открытой крышкой. Вся электроника размещена, в основном, на одной плате, за исключением стабилизатора питания камеры и выходных оптронов (расположены под основной платой, на фото не видны), а также светодиодных индикаторов работы моторов (маленькая платка на крышке). Разводка печатных плат для экспериментального образца не разрабатывалась, весь монтаж выполнен проводом на универсальных макетных платах.

[Павел Бахтинов]

Слева - вид маркера на телеэкране. Снимал дома, поэтому звезды на перекрестии нет .

Справа - так выглядят индикаторы автогида. Яркость светодиодов выбрана малой, чтобы не слепили в темноте, поэтому при дневном свете их почти не видно.

[Павел Бахтинов]

Видеокамера в изготовленном для нее корпусе. В штатных малогабаритных корпусах такие камеры довольно сильно греются, что ведет к росту шума и появлению множества "горячих" пикселей. Подобные конструкции корпусов-радиаторов ранее уже публиковались в форуме. Особенностью данного варианта является наличие небольшой алюминиевой пластины (около 1мм толщиной), проложенной в зазоре между ПЗС-матрицей и остальными компонентами схемы (матрица в этой камере впаяна довольно высоко) и прижатой к корпусу винтами.

[Павел Бахтинов]

Оптико-механическая часть не имеет прямого отношения к проекту "телевизионного" автогида (охранная камера может быть использована совместно с различной оптикой, в том числе, например, во внеосевиках), но, возможно, некоторые элементы конструкции будут интересны, сами по себе.

Труба гида, сделанная на базе ЗРТ-457, установлена на мини-вилке, обеспечивающей ее наклон на несколько градусов относительно оптической оси фотографического инструмента. Труба снабжена собственным легким искателем с красной точкой. Искатель покупной, пришлось лишь заклеить его осветитель кусочком фольги с проколотым тонкой иглой отверстием (иначе там видна не точка, а здоровенное пятнище , слепяще-яркое, к тому же).

[Павел Бахтинов]

Основное внимание уделялось жесткости конструкции мини-вилки и тормозам. Механизма тонких движений нет, т.к. функцию точного наведения выполняют кнопки перемещения маркера по экрану, при механическом наведении нужно лишь, чтобы звезда попала в кадр гидирующей матрицы. В каждой из осей вилки установлено по два шарикоподшипника, с небольшим осевым натягом. Тормоза барабанного типа, с разрезным хомутиком. Благодаря небольшой толщине, хомутик обладает достаточной гибкостью, чтобы при затягивании зажимного винта равномерно охватывать тормозные барабаны (проточки равного диаметра на оси и ее корпусе) по всему периметру. В результате, при затянутом винте, ось и ее корпус представляют собой практически цельную конструкцию, независимо от люфтов в подшипниках (если они там и были). В то же время, паразитное смещение звезды в поле зрения в момент фиксации тормоза такой конструкции почти отсутствует.
На снимке - узел "вертикальной" оси.

[Павел Бахтинов]

Полуось "горизонтальной" оси с тормозным барабаном.

[Павел Бахтинов]

Вторая полуось "горизонтальной" оси.

[Павел Бахтинов]

Штатный фокусер ЗРТ-457 я использовать не стал, из-за трудностей с его надежной жесткой фиксацией в избранном положении. Был изготовлен резьбовой фокусер простейшей конструкции с фиксирующим разрезным кольцом и зажимным винтом. После перефокусировки камеру надо заново ориентировать, вращая ее в гладкой окулярной посадке (1,25 дюйма), но вряд ли это можно считать серьезным недостатком, т.к. фокусировка в данном случае - дело эпизодическое (за последний месяц я ее и не трогал). На снимке видна также линза Барлоу (2х НПЗ), камера в ней (как и сама ЛБ в фокусере) зафиксирована парой винтов, расположенных через 120 градусов.

[Павел Бахтинов]

Крепление мини-вилки гида к фотографическому инструменту осуществляется с помощью разъемного соединения, по типу байонетного. После навески гида гайки подтягиваются ключом. Здесь я, пожалуй, дал маху: классический "ласточкин хвост" был бы, наверное, поудобнее.

[Anton]

ВАУ!
Ты наконец то его доделал!!!
Класс!!!

[stepan]

Класс!
А где можно посмотреть астроснимки с участием этого гида?

[Pluto]

Грамотная конструкция Павел!  Поздравляю!

Хорошо бы смотрелся маленький ЖК монитор вместо ЭЛТ телевизора, правда ЖК подогрев нужен.

Самое интересное, как Вы со склонением справитесь - самое тяжелое место для автогидирования.

[Павел Бахтинов]

Спасибо, ребята!

Фотографии через несколько дней начну выкладывать. Схема начинки тоже будет, немного позже.

Насчет склонения - самому интересно. Надеюсь, получится (хотя атмосферу "давить" не обещаю  ).

[Evgeniy Zhukov]

Павел, ты - ТИТАН! Долгожданная конструкция появилась! Поздравляю!
Ждём с нетерпением победных астрофотографий!

[Денис Никитин]

Паша молодец, поздравляю!

[Александр Л.]

   Павел, поздравляю с очередной победой и извините за наглость сразу пару вопросов. Гидированию никак не мешает АРУ камеры? Т.Е. как я понимаю на экране Вы видите  насыщенное по яркости пятно на месте звезды. Считаете ли Вы необходимым наличие ручной регулировки чувствительности камеры в том или ином виде? Какой примерно получился коэффициент усиления в пропорциональном канале? Какие применены аналоговые ключи – не ADG711 случайно?

[Ernest]

Красиво! Хоть в электронике я и не разбираюсь.

А вот конструкция "минивилки" гида, точнее обоснованность ее применения вообще, для меня, несколько сомнительна.
Для гида столь внушительная степень свободы в наведении, мне кажется, не столь необходима, чтобы подвергать испытанию жесткость связи оптической оси астрографа и оси гида. Традиционное крепление (за два конца гида) надежнее. Впрочем, современные выдержки по цифровым приемникам не столь продолжительны как по эмульсии, и скорее всего, рассогласование осей из-за весовых деформаций не скажется фатальным образом.

[Павел Бахтинов]

Спасибо всем за поздравления!

Гидированию никак не мешает АРУ камеры? Т.Е. как я понимаю на экране Вы видите  насыщенное по яркости пятно на месте звезды. Считаете ли Вы необходимым наличие ручной регулировки чувствительности камеры в том или ином виде?

АРУ, на мой взгляд, не мешает, соответственно, ручную регулировку не считаю необходимой.
Действительно, получается звездное изображение в виде насыщенного кружка. Но, вводя с клавиатуры радиус этого кружка перед гидированием (приближенную глазомерную оценку), я, тем самым, компенсирую зависимость крутизны характеристики от его размера. Как уже писал, в будущем надеюсь все подобные калибровки автоматизировать.

Какой примерно получился коэффициент усиления в пропорциональном канале?

Ой  С ходу на этот вопрос не отвечу. Надо посмотреть свои материалы (писал весной, уже подзабыл).

Какие применены аналоговые ключи – не ADG711 случайно?

Нет, все гораздо тривиальнее: 74HC4051.

А вот конструкция "минивилки" гида, точнее обоснованность ее применения вообще, для меня, несколько сомнительна.
Для гида столь внушительная степень свободы в наведении, мне кажется, не столь необходима, чтобы подвергать испытанию жесткость связи оптической оси астрографа и оси гида. Традиционное крепление (за два конца гида) надежнее. Впрочем, современные выдержки по цифровым приемникам не столь продолжительны как по эмульсии, и скорее всего, рассогласование осей из-за весовых деформаций не скажется фатальным образом.

Я бы сказал так: повышенная точность гидирования, требуемая при работе с "цифрой" будет здесь компенсироваться меньшими, по сравнению с пленкой, выдержками (напомню, я тестировал гид с пленкой и часовыми выдержками, и подвижек не выявил). У меня и предыдущий гид с аналогичной схемой крепления работал неплохо (а он был сделан, по сравнению с новым, можно сказать "на соплях"). Так что можно считать эту конструкцию своего рода полемикой с традиционной точкой зрения .
Однако, в то же время, я против двух вещей:
1) По такой схеме нельзя подвешивать тяжелые, длинные (а тем более, плохо уравновешенные относительно осей мини-вилки) гиды.
2) Если и делать в мини-вилке приводы тонких движений, то с обязательным дублированием жестким тормозом (блокирующим все степени свободы, а не только вращение по одной оси). Ситуация, когда во время экспозиции гид висит лишь на винте (червяке и т.п.) тонкого движения, на мой взгляд, крайне нежелательна.