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astronomy
Un "PUSH TO" sur une monture équatoriale de type Pierre Bourge

 

Introduction

Le pointage d'un Newton sur monture équatoriale n'est pas toujours facile, en particulier sur des objets peu lumineux. La position du chercheur et de l'oculaire peuvent entraîner des contorsions très inconfortables et qu'il faut tenir tant que l'objet n'est pas trouvé. Cela peut prendre beaucoup de temps avant d'amener la cible dans le champ de l'oculaire ou de la caméra. On peut aussi, connaissnt l'écart en Ascension Droite et en Déclinaison d'une planète brillante par rapport au Soleil, essayer de la trouver en plein jour.

Je me suis donc penché sur la réalisation d'un système de type "PUSH TO" qui pourrait me simplifier la tâche du pointage d'objets. Le principe est le suivant : On vise une étoile brillante avec le télescope et on mémorise ses coordonnées à partir d'une liste d'étoiles. Ce sont donc les coordonnées de pointage actuelles du télescope. On recherche ensuite les coordonnées de la cible souhaitée dans une liste d'objets. Il ne reste plus qu'à orienter le télescope de façon à rendre les coordonnées de pointage du télescope identiques à celles de la cible. C'est grosso-modo ce que font les aides au pointage du commerce.

De nos jours, l'électronique et la mécanique ont considérablement évolué. L'éléctronique qui demandait, il y a 20 ans, de concevoir un circuit imprimé supportant de nombreux composants peut maintenant se résumer à un microcontôleur et quelques éléments annexes d'entrées et sorties. Il faut cependant programmer le microcontrôleur, ce qui est assez simple en général, et un peu plus compliqué dans le cas présent.

Côté mécanique, l'impression 3D se démocratise et correspond bien au besoin de celui qui veut faire de petites pièces de toutes sortes sans investir dans un tour à métaux, une perceuse à colonne, une fraiseuse, etc.. Là encore, il faut se familiariser avec un logiciel de CAO. C'est également l'affaire d'un peu de temps vite rentabilisé.


Le matériel utilisé

 

Les encodeurs rotatifs optiques proviennent de la récupération de moteurs asservis (imprimantes ou autres). On trouve facilement des encodeurs optiques peu chers sur internet.

Celui-ci donne 504 impulsions par tour mais la combinaison des 2 photodiodes permet, via le microcontrôleur, de détecter 2016 impulsions et le sens de rotation.

Ci-dessous, "démontage" du moteur pour récupérer l'encodeur.

Le microcontrôleur est un Arduino Mega 2560 qui possède un nombre d'entrées/sorties largement suffisant pour notre usage. Toutefois, la mémoire est limitée, nous en reparlerons plus loin.

Là aussi, on trouve des clones à moins de 10 euros : EXEMPLE

Sa programmation se fait via un port USB. L'environnement de développement gratuit est téléchargeable sur internet.

Un écran à cristaux liquides lumineux de 4 lignes x 20 caractères, avec bus I2C. Compter une dizaine d'euros voire moins : EXEMPLE

1 bouton poussoir, un potentiometre de 20 à 100kΩ, une résistance de 5kΩ et quelques metres de fil de cablage permettront de relier les différents éléments et de naviguer dans le logiciel.

 

 

Côté mécanique, l'essentiel se situe dans l'intégration des encodeurs dans la monture et dans la transmission du mouvement des axes aux encodeurs. La force à transmettre est minime. L'impression 3D permet d'envisager la fabrication de couronnes dentées et d'engrennages en plastique "sur mesure".

Le télescope est prévu pour être facilement dissocié de la monture. Il repose simplement sur 2 paliers grace à l'axe de déclinaison. Il n'est donc pas envisageable d'utiliser des pignons reliés par une courroie. La solution d'engrennages est retenue, de telle façon que la simple pose du télescope sur la fourche assure le contact sans jeu important.

La couronne fixée au télescope est grande pour que l'encodeur soit suffisamment bas sur le bras de la fourche et que l'épaisseur à cet endroit permette son encastrement total. L'espace entre le bras de la fourche et le tube du télescope est de 9 mm.

 

Par contre, la partie basse de la monture se prête bien à l'installation d'un couple de pignons et d'une courroie comme système de transmission.

Pour l'ascension droite comme pour la déclinaison, les pignons sont dessinés à l'aide d'un logiciel de CAO (Fusion 360) et imprimés en 3D sur une imprimante Creality Ender 3.

L'encodeur est fixé à la monture à l'aide d'un morceau de cornière en aluminium.

 

L'imprimante 3D est encore mise à contribution pour réaliser un coffret pour loger l'afficheur, le potentiomètre et le bouton poussoir.

Une gélatine rouge recouverte d'un transparent semi-rigide donne une luminosité non éblouissante et protège l'afficheur de l'humidité.

Notez le cache blanc en dessous de la raquette. Il masque la prise USB du microcontrôleur qui est logé dans la base de la fourche.

 

Calcul des démultiplications

 

La précision de pointage attendue est de queqlues minutes de degré sur les 2 axes, de façon à trouver les objets dans un oculaire à faible grossissement ou sur un capteur d'APN.

Déclinaison

L'encodeur permet de détecter 504 x 4 = 2016 impulsions par tour, soit 2016 impulsions pour 360°. Une précision de 5' est retenue soit un nombre d'impulsions de 360 x 60 / 5 = 4320 par tour. Le rapport de démultiplication est 4320 / 2016 = 2.142857
La décomposition en nombres premiers communs de 4320 et 2016 nous donne le rapport simplifié 15 / 7.
Le choix d'un facteur 14 donne un rapport de 210 / 98, Ces 2 nombres correspondent aux nombres de dents des pignons à imprimer.

Ascension droite

Dans ce cas, 2016 impulsions correspondent à 24 heures ou 1440 minutes. Actuellement, j'ai choisi (pour diverses raisons dont la longueur de la courroie synchrone dont je dispose) une résolution de 1/4 de minute mais un affichage arrondi à la minute. Le rapport de démultiplication est donc de 1440 x 4 / 2016 = 2.857143
Le même processus qu'au dessus m'a conduit à choisir des pignons de 80 et 28 dents dont les diamètres sont conditionnés par la courroie de transmission.
Le projet devrait être revu prochainement avec une courroie un peu plus longue et un pignon de 100 dents me permettant d'obtenir une précision de 1/5 de minute (soit 3') et un affichage à 0.2 minute près.

 

Le montage éléctronique


Il est construit autour d'un microcontrôleur Arduino Mega 2560 cadencé à 16 MHz. Il possède de nomnreuses entrèes et sorties digitales utilisables comme interruptions, des entrées analogiques, un bus I²C, 256 KB de mémoire programme, 8KB de mémoire pour les variables, etc. Le fonctionnement de l'Arduino se fait sous 5V mais il peut recevoir de 6 à 12V sur son connecteur d'alimentation.

Un afficheur lumineux à 4 lignes de 20 caractères est connecté par le bus I²C. Ceci nécessite 4 fils de connexion (+5V, GND, SDA et SCL)
Un bouton poussoir est destiné à valider le choix dans les menus. Il est relié à l'entrée 7 et est à l'état "Low" par défaut grace à une résistance de 5kΩ qui met l'entrée au potentiel de la masse..
Un potentiometre sert à faire défiler le menu et les items des listes. Sa résistance est de 20 kΩ, de type linéaire. Il est monté en diviseur de tension entre la masse et le +5V. Le point milieu du potentiomètre est relié à l'entrée analogique A0.

On peut éventuellement adjoindre un condensateur de 100µF entre la masse et le 5V au niveau de l'afficheur et utiliser du fil blindé pour la raquette de commande.

Le schéma de cablage est le suivant :


En vrai, en phase prototype, ça ressemble plutôt à ça :


Le logiciel

Il est développé dans l'IDE Arduino (Environnement de Développement Intégré). Il est nécessaire de télécharger les librairies LiquidCrystal_I2C et avr/pgmspace pour la gestion de l'afficheur et de la mémoire programme.

Les 2 canaux de chaque encodeur sont reliés aux entrées 2, 3 et 18, 19. Ces entrées sont déclarées comme "interruptions", c'est à dire que, dès qu'apparait un changement d'état sur ces broches, le programme principal est interrompu pour exécuter un sous-programme particulier.

Une des limitations pour cette application est l'introduction des différents catalogues d'objets. D'une part, il faut se limiter à un nombre d'objets "raisonnable" et d'autre part, il n'est pas possible de tout mettre dans la zone de mémoire SRAM (zone des variables). Une grosse partie, ou la totalité des listes d'objets doit etre placée en mémoire programme (FLASH) ce qui complique légèrement le programme. Dans le premier cas, on gère les éléments par un index dans un tableau, dans l'autre par un pointeur dans la mémoire.

Diverses listes d'étoiles et d'objets ont été téléchargées en mode texte puis retravaillées à l'aide d'un tableur et/ou d'un éditeur de texte. (Ce remaniement est très égoïste puisque je l'ai fait en fonction du diametre de mon télescope, de la latitude où je me trouve et de la pollution lumineuse de mon site d'observation).

  • La liste des étoiles est réduite à 92 étoiles brillantes triées par contellations. Les étoiles de déclinaison inférieure à -30° sont exclues. Les éléments retenus pour une étoile sont : la lettre grecque et la constellation abrégée, Ascension Droite et Déclinaison, magnitude visuelle, nom propre.
     
  • Le catalogue de Messier (110 objets) : numéro, constellation abrégée, type d'objet, Ascension Droite et Déclinaison, dimension approximative en minutes d'arc, nom propre.
     
  • Le catalogue de Caldwell (83 objets) : numéro, constellation abrégée, type d'objet, Ascension Droite et Déclinaison, dimension approximative en minutes d'arc, nom propre.
     
  • Le catalogue NGC ( 2095 objets) : numéro, Ascension Droite et Déclinaison, magnitude visuelle. Ici encore, beaucoup d'objets ont été éliminés, soit pour leur déclinaison trop négative, soit pour leur magnitude trop élevée. Le catalogue NGC est découpé en 3 parties pour une simple raison technique : La tension fournie par le potentiomètre est envoyée sur un convertisseur analogique / numérique qui renvoie une valeur comprise entre 0 et 1023 utilisée pour pointer un objet dans une liste. Celà veut dire qu'une liste ne peut pas contenir plus de 1023 objets (+ option retour).
    Le remplacement du potentiometre par un autre encodeur est envisagé. Cela éviterait de fragmenter le catalogue NGC tout en gardant un bon défilement des listes.
     
  • La possibilité d'entrer des coordonnées d'un objet non répertorié est également implémentée (comète, astéroïde, Neptune, etc)

La navigation est donc simplifiée au maximum : bouton poussoir pour validation et potentiomètre pour défilement des listes

  • validation menu → affichage des noms des listes
  • choix d'une liste et validation → affichage des objets de la liste (ou retour)
  • choix d'un objet et validation → retour écran principal

 

Conclusion

Le but fixé est à peu près atteint. Ce système de pointage simplifié m'a permis de trouver quelques cibles facilement et rapidement lors d'un test. L'amélioration prévue sur l'Ascension Droite devrait finaliser le projet.

Ce système est conçu pour une monture équatoriale correctement mise en station.
Il n'est pas fait pour fonctionner dans d'autres conditions (monture azimutale par exemple) car il faudrait pointer plusieurs étoiles en guise de référence afin de déterminer le changement de repère et calculer les coordonnées en conséquence. Ca serait probablement possible moyennant un programme plus complexe.
Le programme ne tient pas compte de la réfraction atmosphérique ni du déplacement apparent du ciel pendant le pointage d'une cible.

Voilà donc une aide qui devrait s'avérer précieuse pour profiter un peu plus des quelques nuits claires à venir.

 

 

Version Améliorée

 

Comme mentionné un peu plus haut, la sélection des items dans les catalogues est fait par l'intermédiaire d'un potentiomètre. La sélection n'est pas toujours facile et on rencontre une limitation dans la longueur de la liste du fait de la conversion sur 10 bits. Le remplacement du système à base de potentiomètre par un encodeur rotatif résoud ces problèmes.

L'encodeur dévolu à cette fonction ressemble à un potentiometre, se fixe à la raquette comme un potentiomètre, a une résolution de 20 impulsions par rotation et incorpore un bouton poussoir qui va être mis à profit pour parcourir les listes longues.

A noter que les 20 impulsions sont "matérialisées" par un cliquet à ressort.

Les 2 canaux (CLK et DT) sont connectés respectivement aux broches 10 et 11 et le bouton poussoir est connecté à la broche 8.
Les broches d'interruptions de l'arduino Méga étant toutes utilisées (2,3,18,19,20,21), il faut utiliser les broches PCINT (ici 10 et 11) et les gérer via la librairie "PinChangeInt".

Le nouveau schéma de cablage est le suivant :

;

La faible résolution de l'encodeur est idéale pour naviquer sur les listes courtes (Menu, liste Caldwell ou Messier) mais nécessiterait énormément de tours pour parcourir le catalogue NGC. C'est là qu'intervient le bouton poussoir. Le logiciel passe à un défilement accéléré 10x après l'appui sur le bouton. Un nouvel appui permet de revenir au défilement à vitesse normale.
Ceci permet d'utiliser un fichier NGC non fragmenté, ce qui est bien plus agréable.

Une autre amélioration a été d'ajouter :

  • une liste des étoiles en tant qu'objets cibles
  • une liste Messier triée par numéros
  • une liste Caldwell triee par numéros

 

Enfin, la courroie commandée est arrivée et le pignon de 100 dents a été imprimé et monté sur l'axe d'ascension droite.

 

 


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