【野草教程】赤道仪DIYer必看，干货分享

首先 我所说的赤道仪DIY，准确的说应该是赤道仪手柄DIY
但是还是建议DIY赤道仪的同好们也可以看一下，会有帮助的

本文主要写给有嵌入式开发基础的同好，希望大家能一起努力，做出一些高水平的，廉价的国内的开源天文器材。造福国内的天爱同胞。

天文爱好因为市场小众，为了节省成本，很多厂家并没有将产品的研发和创新放在心上，很多赤道仪还在用着上个世纪的技术和芯片，哪怕新的高性能的硬件方案已经很便宜，在这个向钱看的社会能保有一颗向宇宙一撇之心是很不容易的，我们值得拥有一些更好的东西。

赤道仪手柄是赤道仪的控制核心，有关赤道仪手柄的嵌入式开发的资料并不多，而且大多是闭源的，本来搞嵌入式开发的天爱就不算太多，所以很多资料巨难找，本人DIY了谐波赤道仪，深知其中的艰辛。http://bbs.imufu.cn/thread-765255-1-1.html在此将所有相关资料收集汇总解读，希望能让其他的天文开发者少走弯路，甚至能让一些非开发专业的天爱能加入开发，那就最好了。

• 通信
  

首先想清楚，赤道仪手柄的星表由谁来实现

很多厂家的手柄是有屏幕，内存里存着星表的，这样的手柄可以脱离电脑或手机独立运作，但是缺点就是要加内存加星表，软件开发工作繁重尤其是星表很难搞。所以专业的事情交给专业软件做，现在出去拍星，至少都会带个手机或电脑，PC端有Stellarium（虚拟天文馆），手机端有SKYSafari，都有赤道仪控制功能，那我们的工作就是实现和他们的通信就行了呗~

这两个软件都支持很多赤道仪通信协议，其中大部分通信协议都是走的串口，串口通信~so easy~  麻烦的是协议，很多协议是闭源的，查不到资料，但是有一个能查到英文资料的协议，那就是LX200(在此感谢米德，为开源天文事业做出的贡献！）

先上干货！https://wenku.baidu.com/view/3e8dda3231126edb6f1a1080.html
如果链接失效了  就自己百度  LX200串口协议  或者Google  Meade Telescope Serial Command Protocol
不是中文资料！不开心！
好的，上中文：
通信过程：
建立连接时
Stellarium发送 “#:GR#”     下位机回复 “00:00:01#”       //下位机回复当前赤经值
Stellarium发送 “#:GD#”     下位机回复 “+00:00:01#”      //下位机回复当前赤纬值

按CTRL1指向目标时
Stellarium发送“#:Q#:Sr 11:36:05#”    下位机回复“1”      //上位机发送目标赤经值，下位机回复1表示收到
Stellarium发送“:Sd -47?28:13#”       下位机回复“1”      //上位机发送目标赤纬值，下位机回复1表示收到
Stellarium发送“:MS#”                 下位机回复“0”      //上位机询问下位机是否能转到该位置，下位机回复0表示可以

skasafari5建立连接
“:GR#”
“:GD#”

“:Sr00:14:08#”
“:Sd+13*34:40#”
“:MS#”

对！ASCALL码明码的通信协议！是不是联想到了GPS协议？是不是回忆起了前苏联那种古老的时代气息？
好，不扯题外话，明码协议怎么处理可以直接参考GPS协议的解析，那个不是本文的重点，本文的重点是，Stellarium和skasafari5的LX200协议稍有不同，处理的时候要小心。

有人可能要问，LX200有那么多命令，你这怎么就这5条？答案是，这5条就足够实现GOTO了。。。

以上是软件实现，具体代码可以参考我的：https://github.com/chenbopeng/GOTO-Equatorial

再来说说硬件实现，串口通信，手机又没有串口，搞个锤子啊？但是手机有WIFI啊！电脑也有WIFI啊！那么是不是自然想到了WIFI转串口模块？首先声明，本文没有任何厂家给半毛钱广告费，然后我在此推荐有人科技的WIFI转串，理由是因为工作关系用过很多，廉价、稳定、配置简单无比，都这样了，还要啥自行车？强烈建议不要用ESP系列的WIFI转串，那玩意有坑....

WIFI控制，有没有发现你的手柄突然不需要USB线了，突然感觉高大上了很多呢~

• 时序
  

赤道仪的核心功能是啥？就是驱动步进电机进一步驱动赤经轴按照地球自转的速度去转。地球自转的速度（角速度）是多少？就是地球旋转一圈的角度除以旋转一圈的时间，地球旋转一圈的时间也叫恒星日，约等于86164秒，一圈是多少角秒呢？是360度*3600角秒/度=1296000角秒。那地球自转的角速度就出来了，就是1296000角秒/86164秒≈15.041084角秒/秒。

计算做到这一步，再来看硬件，能精确控制输出角度的机械有步进电机和带编码盘的伺服电机，这两种在各种主流赤道仪上均有应用，但是步进电机更常见一点，控制也更简单，在此姑且只讨论步进电机吧。驱动步进电机的方法有很多种，你甚至可以自己写代码做软件驱动，但是那个完全是费力不讨好，还是那句话，专业的事情交给专业的东西去做，托3D打印技术崛起的福，步进电机有很多高精度高细分的专业驱动芯片，比如A4988  DRV8825 TMC2208等等，这些芯片，你给它一个脉冲，它还你一个步进角，就是这么简单！

但是注意！这里必须着重强调，本人实测过以上所有驱动芯片，但是只推荐TMC2208和TMC2210。它的精确、丝滑、无噪音，让你用过就不再想用别的~当然它也是所有芯片里最贵的，驱动模块卖到了惊人的30多元/片，是的，这里我是在说反话，想想EQ3D双电跟的那个手控器，芯片用的是大学生做毕业设计用的51系列，驱动用的是软件驱动加三极管放大，效果是，我用那电跟看火星，火星就像一颗不断跳动的乒乓球！！！

好了，再回到计算，先做一个应用题：一个赤道仪系统，采用的是1.8度的步进电机，100:1的谐波减速系统，16细分的TMC2210步进电机驱动器，赤经采用直驱（可以理解为赤经减速比为1:1）。
请问每发一个脉冲给TMC2210，步进电机旋转多少角秒？
答：1.8°*3600度每秒 / 16细分/100减速比=4.05角秒  （记住这个结果，GOTO算法用得到）

请问赤经轴正常跟踪时，需要多久发一次脉冲呢？
答：86164秒/100减速比/200步进（1.8度每个步进转一圈是200步进）/16细分=0.2692625秒=269.2625毫秒 （记住这个结果，显然跟踪算法要用）

算到这个时候你可能会对这个系统嗤之以鼻，这个系统的分辨率是4.05角秒，也就意味着导星再怎么准也会有±2个角秒的波动，GOTO最少也会有±2个角秒的误差。确实是这样，但是系统不同应用场景也不同，这个系统显然扛不了长焦镜头，但是300mm的焦距已经足够应付，便携打深空目标OK。又扯远了

回到时序，也就是说，单片机每269.2625毫秒给步进电机驱动器发一个脉冲，普通跟踪的工作就完成咯~因为是72M的主频，通过配置定时器，可以很轻松的得到269.2625毫秒的精确定时。理论跟踪误差为零！！很开心！但是因为有大气折射，晶振误差之类的原因，当然还是会有误差，但是实测发现，忽略不计~

有没有发现，到这个地方就已经基本完成了一个单轴的星野？但是这显然不是目的，我们的目标是星辰大海，没有GOTO怎么能行？

• GOTO
  

整理一下我们现有的功能，我们能跟电脑或者手机通信，能让电脑知道赤道仪现在瞄着哪，也能让电脑告诉我们赤道仪要转到哪去，我们还有个基本的跟踪功能，能让赤道仪瞄着一个星星基本不动。那GOTO是啥，就是按照电脑告诉我们的坐标去转。


接下来，必须先讲讲坐标系，有没有发现所有天体都有一个坐标？由赤经，赤纬组成？有没有发现跟地球上的经纬度有点像？很好，地球是圆的，但是根据经纬度展开，可以得到一个长方形平面图，长宽比为2:1。那么天文坐标系（比如J2000.0）也可以这样展开，赤经赤纬就分别变成了横轴和纵轴，因为我们知道赤道仪现在所瞄准的坐标，也得到了电脑要赤道仪GOTO去的坐标，这两个坐标的赤经（赤纬）相减就能得到赤经（赤纬）轴需要旋转的角度，这个角度的正负号就代表了旋转的方向（实际算法还要考虑圆周运动的最短路径问题），还记得我们刚才算出来每个脉冲运动4.05角秒吗？一除是不是能得到需要运动多少个脉冲？GOTO是不是就实现了呢？对这就是GOTO的算法框架，实际要复杂一些，主要体现在坐标换算和圆周运动的一些问题上。


不知道细心的你发现没有，这个GOTO模型有一个隐藏的必要条件，因为赤道仪的天体坐标系是基于赤道仪硬件自身的，天体的实际坐标系或者说绝对坐标系是客观存在的，这两个坐标需要完全重合，GOTO才能成立，那怎么让两个坐标系重合呢？请问怎么样让两张A4纸完全重合？很简单，让两张纸上坐标相同的两个点完全重合！那么我们也一样，第一步，对极轴，这是第一个点，第二步，一星校准，告诉赤道仪它目前瞄准的是哪个星星，这是第二个点，这样坐标系就重合了，GOTO就准了——理论上。实际上因为极轴不可能没误差，一星校准也可能偏了几个角秒你看不出来，最后导致坐标系没有完全重合，这样GOTO下来就会有误差，误差的大小就看前两个校准的精度了，所以一星校准非常依赖精确的极轴。


既然都说道这了，再说说高端的吧，如果两张纸没有完全对齐，是不是就不能做精确的GOTO了呢？当然也不至于，考虑这个道理：两张纸互相斜了一点，还偏了一点，但是如果你知道它们相对的旋转角和偏移量，你就能知道这张纸上的任意坐标对应那张纸的什么坐标，那GOTO的时候把这个误差算进去不就OK了？那怎么知道相对的旋转和偏移量呢？答案就是三星校准！再加两个星进去，把这个坐标系钉死。但是这个运算就稍微再复杂一点，涉及到二维坐标的旋转，需要用到三角函数，根据三星校准的结果得到旋转矩阵，再对每个GOTO目标进行矩阵运算得到对应到赤道仪坐标系的坐标即可。

写了这么多，还是希望我国的天文圈子能涌现更多好的开源项目，像国外一样，我心目中，开源就是廉价和高性能的代名词，好的开源项目可以让更多人低成本的接触到天文的瑰丽，也能倒逼厂商做出更多的创新和降价。天文器材能够优化的地方还有很多很多，尤其是电子方面。


另外，再发一个预告，下一步我要开源一个支持ASCOM平台的电调焦制作方法！敬请期待！

我目前在做一件类似的事，不过没找到消除光轴与赤道仪不严格平行产生的误差的方法，自己算也没算出来，所以GOTO一直没做好。不知您那里有没有相关资料。

大神，膜拜了。。

楼主厉害，三星校准这么复杂的玩意都搞掂了。我搞了很久都不得要领

弼马温1984 发表于 2019-2-26 18:10
楼主厉害，三星校准这么复杂的玩意都搞掂了。我搞了很久都不得要领

见笑~远不敢说搞懂了，三星校准我也只稍微了解一些原理，还谈不上算法实现。发帖说到这个也算是一个展望，希望有算法功底扎实的同好可以一起实现，然后开源出来，造轮子的工作只用做一次，这样在前人的工作之上再行发展能走的更远些。

膜拜大神，您无私奉献的精神会成为中国天文爱好者中一盏指引方向的灯塔

支持高端玩家

chemistry6120c 发表于 2019-2-26 22:37
支持高端玩家

感谢支持！

蝶梦 发表于 2019-2-26 16:12
我目前在做一件类似的事，不过没找到消除光轴与赤道仪不严格平行产生的误差的方法，自己算也没算出来，所以 ...

光轴不平行具体是指什么？不是很明白

野草是个好同志，东西做的好，做东西的文章也写得好，简直就是赤道仪DIY的圣经

感谢楼主的分享，跟着野草学做赤道仪。

野草 发表于 2019-2-26 23:17
光轴不平行具体是指什么？不是很明白

举个例子：鸠尾板和鸠尾槽不平行。

真是业余爱好者的福音！谢谢野草的无私奉献。已经跟着上一帖子做谐波赤道仪，谢谢你的无私共享和耐心的指导。

蝶梦 发表于 2019-2-27 11:04
举个例子：鸠尾板和鸠尾槽不平行。

哦哦  我一下没反应过来  还以为是步进电机导轨用的光轴。。。。  你说的这个好像之前看到一个哥们的帖子里写过  叫弓形效应吧   我没有研究过  也没有遇到过  确实不是很懂

KKKVVV 发表于 2019-2-27 09:21
野草是个好同志，东西做的好，做东西的文章也写得好，简直就是赤道仪DIY的圣经 ...

感谢支持！

学习了

给楼主点赞！

话说楼主的PCB已经发布了？

KKKVVV 发表于 2019-3-1 08:46
话说楼主的PCB已经发布了？

是的  已经挂在GITHUB上了  链接上文里有

信达的SynScan协议不也是公开的吗？好像Stellarium和SkySafari都支持这个协议。