Projeto de uma montagem de telescópio com engrenagens harmonic drive customizadas e ESP32

• O autor construiu uma montagem de telescópio personalizada usando engrenagens harmonic drive e um microcontrolador ESP32
• Como as montagens de rastreamento comerciais são muito caras, ele optou por projetar e fabricar a sua própria versão em DIY
• Ele explica em detalhes todo o processo de projeto, incluindo desenvolvimento e fabricação da PCB, modelagem 3D no FreeCAD e seleção dos componentes
• O custo total de fabricação ficou em cerca de 1.700 euros e, no custo unitário de uma peça, o projeto se mostrou competitivo em relação a produtos comerciais
• Ele também compartilha a experiência real de desempenho e melhorias na astrofotografia ao integrar a montagem feita por ele com o firmware OnStepX

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Um novo ponto de partida

Há alguns anos, o autor se interessou por astrofotografia ao ser inspirado por um canal de astrofotografia no YouTube. Ele tentou fotografar a Nebulosa de Órion tirando centenas de imagens com tempos curtos de exposição sobre um tripé e depois empilhando tudo no Siril. No entanto, percebeu a necessidade de um sistema de rastreamento e comprou um rastreador Move Shoot Move, mas, devido à dificuldade de encontrar os alvos celestes, de fazer o alinhamento polar e aos resultados insatisfatórios, passou a se interessar por construir uma montagem de telescópio mais séria.

Ampliando a experiência com fabricação de PCB

Em 2024, ele encontrou por acaso vídeos no YouTube sobre projeto de PCBs personalizadas e aprendeu a usar PCBs de fabricação, limpas e baratas, em vez de continuar com protoboards improvisadas. Como primeiro projeto, construiu um termostato inteligente com ESP32, display e-paper e sensor BME680. Com base nessa experiência, decidiu aplicar diretamente as técnicas de projeto e fabricação de PCB também à montagem do telescópio.

Pesquisa aprofundada e uso de recursos da comunidade

Ele idealizou o projeto com foco na adoção de harmonic drive. Usando referências do AliExpress e de várias comunidades DIY (HEMY, HrEM, DHEM, DIY EQ Mount V2 etc.), investiu muito tempo pesquisando a seleção de componentes e a estrutura mecânica. Também investigou implementações open source e informações da comunidade sobre motores de passo/servomotores, controle FOC, SimpleFOC e outros temas.

Decisões de projeto e estrutura

• Eixo RA (ascensão reta): servomotor 42AIM15 + harmonic drive Type 17 (redução 100:1)
• Eixo DEC (declinação): motor de passo MKS Servo042D + harmonic drive Type 14 (redução 100:1)
• Montagem e carcaça: adoção de placa Arca Swiss, compatível com a wedge da Move Shoot Move
• Modos de operação: GEM (equatorial alemã) ou ALTAZ (altazimutal)
• Microcontrolador: ESP32-S3
• Alimentação: USB-C PD até 24V/4A
• Controle de motor: step/dir/en, ULN2003 + MODBUS, CANBUS
• Expansibilidade: pinos GPIO restantes expostos externamente

Com as características de microstepping e controle de servo de cada motor, ele simplificou o projeto e melhorou a precisão do rastreamento. Ao alterar dinamicamente o microstepping via CANBUS, conseguiu equilibrar slew de alta velocidade e rastreamento preciso.

Projeto da PCB e superação de problemas

• Projeto de PCB semicircular no KiCad, ajustada exatamente ao formato da carcaça
• Uso de módulo ESP32-S3 sem antena para ganhar liberdade no posicionamento e adoção de circuito de entrada de alimentação por USB-C (até 24V)
• Uso do circuito open source PicoPD e do IC AP33772. Escolha de conectores da série JST PH para viabilizar conexões compactas e de alta capacidade
• Na substituição inicial do IC, ele enfrentou erros de ligação I2C e mau funcionamento; na segunda versão, resolveu o problema com validação e vários test points adicionais

Integração com o firmware OnStepX

Aplicou o firmware open source OnStepX, com suporte ao controle do telescópio e comunicação por Wi‑Fi. No início, enfrentou problemas de estabilidade em que o ESP32 ficava sobrecarregado durante o slew (movimento rápido de apontamento), mas resolveu isso com redução da velocidade de slew e mudança para o modo cliente Wi‑Fi. Bastou adicionar um arquivo de layout de pinos compatível com o OnStepX e código de controle dinâmico de microstepping para conseguir a integração sem grandes modificações.

Fabricação e montagem

Tanto a fabricação da PCB quanto a usinagem CNC em metal foram feitas pela JLCPCB. Sem testes prévios em impressão 3D, ele fez a escolha ousada de encomendar as peças CNC apenas com base nos desenhos CAD e obteve uma precisão satisfatória nas peças. Houve, porém, um erro de projeto na tampa do eixo equatorial, resolvido de forma simples com espaçadores. Todas as peças puderam ser montadas apenas com roscas M3/M4 e parafusos. O rosqueamento manual ajudou a reduzir o custo de fabricação.

Experiência em uso real

Após muitas tentativas e erros com alinhamento polar, configuração e software (INDI, KStars, Ekos, PHD2), ele acumulou bastante experiência prática. Nas primeiras utilizações, falhas de vários tipos causaram muitas sessões frustradas, mas, no processo de estabilização, a montagem chegou a registrar precisão de 1 a 2 segundos de arco, suficiente para exposições de 30 segundos com uma lente de 600 mm. Para empilhamento das imagens, ele usa o Siril e também está perseguindo objetivos adicionais, como empilhamento de múltiplas noites.

Custo de fabricação e viabilidade econômica

O custo total foi de cerca de 1.700 euros (= incluindo ferramentas, hardware e peças de pesquisa/protótipos). Convertendo para custo unitário de uma peça, fica em torno de 800 euros. Em comparação com montagens GOTO comerciais (1.200 a 4.000 euros), o projeto mostrou alta viabilidade econômica, embora o autor dê mais valor à experiência de construir tudo por conta própria.

Custo detalhado por item (resumo dos principais itens)

• harmonic drive (2 unidades): 144 euros
• MKS e servomotores (2 unidades de cada): 73 a 216 euros
• Peças CNC: 215 euros
• PCB, conectores, parafusos, ferramentas e outros

Conclusão e impressões

Ele enfatiza que a experiência de construir com as próprias mãos, resolver problemas e percorrer todo o ciclo de projeto-fabricação-validação tem um significado maior do que simplesmente comprar um produto comercial. O fracasso da PCB Version 1 lhe ensinou a importância de validar tudo com cuidado. Ao longo do processo, tirou várias lições sobre FreeCAD, KiCad, uso de open source e desenvolvimento de hardware como um todo. Graças ao firmware OnStepX e aos recursos da comunidade, ele demonstra que uma montagem DIY de telescópio também é um projeto viável para pessoas comuns.

Construir com as próprias mãos uma montagem capaz de rastrear as estrelas e entendê-la completamente — essa sensação de realização vale muito a pena.

[GN⁺]

Comentários do Hacker News

• Explica que o cabo saindo de uma fonte USB-C acaba atuando como um indutor, ou seja, funciona como um filtro LC de passagem baixa, e por isso são necessários capacitores onboard; quando o motor puxa uma corrente alta instantaneamente, a corrente não consegue fluir de imediato por causa da característica do indutor, então o capacitor fornece a corrente naquele momento e, depois, o indutor passa a entregá-la gradualmente

• Projeto e explicação realmente incríveis, e em um timing perfeito; desde os 13 anos sou apaixonado por astronomia amadora, tive vários telescópios e passei muito tempo observando o céu noturno com a família; recentemente tirei meu SCT de 10 polegadas e meu Newtoniano de 4 polegadas para mostrar a Lua e Saturno ao meu filho de 7 anos; foi muito significativo poder assistir junto com meus pais também; o SCT de 10 polegadas está em uma montagem fork antiga sem GOTO; já explorei as vantagens do GOTO, mas ainda não comprei porque gosto da diversão de procurar os astros manualmente; comprei, isso sim, uma câmera dedicada de resfriamento ZWO 585MC; ao mesmo tempo, já perdi um tempo enorme tentando localizar objetos; só com um Telrad não basta, então também pensei em fazer minha própria montagem third-party com impressora 3D e conhecimento de eletrônica; também considerei trocar os motores por steppers NEMA 17; nessa busca conheci o projeto PiFinder, que parece ser o equilíbrio perfeito entre automação e orientação manual https://www.pifinder.io/, e sinto confiança de que em breve será possível resolver muitos problemas graças aos avanços em impressão 3D e fabricação de PCBs

  • Ler a opinião de que GOTO não é divertido me fez perceber de novo como existem gostos muito diferentes; para mim é justamente a parte de encontrar os objetos que menos combina comigo, então sou grato por mounts com goto
  • Se você conectar uma câmera ZWO ao Kstars/EKOS, pode usar plate solving por software para descobrir exatamente para onde está apontando e ajustar a partir disso

• Só para comentar uma coisa sobre as trilhas do circuito nesse projeto excelente: foi dito que as trilhas ficaram largas demais para suportar 24V, mas na prática, quanto maior a tensão, menor a corrente, então elas poderiam até ser mais estreitas; a largura da trilha é determinada pela corrente, enquanto o espaçamento entre trilhas é a parte que exige atenção em função da tensão

  • Sobre largura de trilha, a especificação padrão IPC-2221A ajuda bastante https://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/CURRENT_DESIGN/TP/MATERIALS/IPC-2221A(L).pdf
  • Concordo com a boa observação e com a explicação

• Citação do blog: "ao mover o telescópio para o alvo, o número de pulsos enviados ao motor aumenta e isso sobrecarrega o pequeno ESP32"; eu também trabalho com controle preciso de motores de passo em alta velocidade, e não posso tolerar nem uma pequena perda de pulso ou glitch; no core da MCU há limites, então controlo com timer + DMA; no fim, aproveitei o recurso ACT (Advanced Control Timer) da MCU STM32G4; com DMA fica fácil gerar formas de onda arbitrárias, então mesmo que o core fique sobrecarregado ou entre em sleep mode, o timer não é afetado; hoje em dia também considero o PIO do RP2350; o ESP32 tem MCPWM, mas para implementar perfis complexos de aceleração e desaceleração de forma 100% livre do core, é preciso usar timers em cascata ou interrupções, o que volta a criar dependência do core e possibilidade de glitch; no ACT da ST, há um timer independente por motor, então a implementação é simples se você ler bem o datasheet; ICs de driver especializados (Trimanic etc.) também são uma opção, mas a complexidade de software acaba sendo maior do que no meu método

  • Pelo que sei, o OnStepX é baseado em pulsos; ainda não vi esse uso com DMA; acredito que em ambos os casos seria possível usar um modo de comando de posição via CANBUS em vez de pulsos; vi essa possibilidade no código do OnStepX também, mas como o modo por pulsos é tão fácil para começar, acabei escolhendo ele
  • Também pensei em usar PIO para controlar steppers no rp2040, mas foi difícil por causa do contador de 5 bits e do limite de 32 instruções; em vez disso, usei o segundo core dedicado ao controle de movimento e gerei sinais step/dir por bit-banging, o que foi suficiente para um perfil trapezoidal de eixo único
  • Se você quer saber até onde dá para levar controle de stepper com MCU, recomendo olhar o firmware Merlin de impressoras 3D; ele consegue fazer cálculos complexos para impressoras delta mesmo em MCUs AVR pequenas de 8 bits
  • Pelo que sei, o ESP32 também tem RMT; fico curioso se esse método não foi considerado

• Uso freeCAD há 3 anos; vendo o resultado feito nesse projeto, fiquei realmente impressionado; gosto do freeCAD, mas poucas coisas me deram uma experiência tão persistentemente incômoda e irritante quanto ele

  • Sou grato ao FreeCAD, mas conforme a complexidade do projeto aumenta, os crashes aleatórios realmente castigam; ainda assim, a maioria dos recursos de que preciso pode ser implementada no FreeCAD se você souber como; no fim, nunca ter usado outros CADs foi justamente o que me fez ficar no freeCAD
  • Faço modelagem como hobby no FreeCAD há 7 anos, mas em recursos que uso pela primeira vez a experiência do usuário ainda é frustrante; sou desenvolvedor FE e conheço padrões de QA, e o freeCAD tem muito UX que não passa nesse tipo de critério; quando fui ao fórum para entender a diferença entre erros e avisos de overconstraint, encontrei muitos textos defendendo isso como política intencional em nome de performance, e a atmosfera de gatekeeping dos power users é o verdadeiro problema; faltam urgentemente especialistas de UX e um community manager de verdade
  • Alterno entre OnShape e FreeCAD, e fico impressionado com o acabamento polido do OnShape; só que, por causa de modelos que comprei, não posso subir tudo para o tier gratuito do OnShape; no FreeCAD dá para fazer, mas se você pensa “isso termina em uma hora”, acaba virando noite
  • O simples fato de o FreeCAD existir já é ótimo, e espero que amadureça mais; ainda assim, se você quer chegar rápido ao resultado, recomendo o tier gratuito do Autodesk Fusion; talvez não sirva para quem só usa OSS por princípio, mas para hobby ele tem ótima qualidade e praticamente sem restrições; parece que às vezes ele é rejeitado só por não ser OSS, mas seria bom ampliar o leque de escolha de software com foco em funcionalidade
  • ChatGPT e Claude ajudam bastante nesse tipo de trabalho; se o software tiver uma documentação razoável, a IA pode explicar o workflow passo a passo com bastante gentileza; em áreas totalmente especializadas ou com pouca referência, há limites, mas ainda assim é muito mais rápido do que sair clicando no escuro ou assistir vídeos no YouTube acelerado; você também pode pedir um guia de estudos para construir os conceitos básicos; só que é importante sempre pedir links e materiais de referência por causa de alucinações e erros da IA

• Tenho muito interesse em projetos de usar uma montagem de telescópio para fazer medições precisas por conta própria, por exemplo astrometria planetária; tentar resolver órbitas planetárias apenas com medições próprias parece refazer o caminho de antigos astrônomos como Kepler

  • Tema realmente fascinante; fui além do hobby de tirar fotos bonitas e pensei em um sistema em que dados observacionais amadores possam ser usados em pesquisa; se fossem compartilhados os frames brutos individuais e os metadados (hora, coordenadas, calibration frames etc.), daria para produzir ciência coletivamente ou imagens ainda melhores; o Vera C. Rubin Observatory, nos EUA, consegue fotografar todo o hemisfério sul em poucos dias; seria incrível se esse tipo de software evoluísse para um arranjo astronômico global por crowdsourcing
  • Na verdade, para saber a posição exata de um planeta, é muito mais preciso calcular a posição comparando a foto centrada no planeta com as coordenadas fixas das estrelas ao redor do que corrigir a posição da própria montagem do telescópio; calibrar perfeitamente a montagem em si é quase impossível; o método de coordenadas relativas às estrelas é extremamente preciso
  • Outro projeto interessante é medir a curva de luz de trânsito de exoplanetas; alguns exoplanetas próximos podem ser observados do quintal mesmo só com lente fotográfica; como exemplo, foi compartilhado o caso de observação de um amador com uma ASI178MM-c e uma Canon FD 300mm https://astropolis.pl/topic/60163-wasp-10-b-w-pegazie-1270-mag-00340-mag/
  • Embora não seja totalmente first-principles, há gente usando um Seestar S50 roboscope com uma grade de difração para medir o espectro de emissão de estrelas
  • Só para constar, Kepler trabalhou com os dados de observação a olho nu de Tycho, sem telescópio

• Projeto realmente muito bom; ao projetar a PCB, parece que não foram incluídos capacitores, resistores etc. adequados, e a estabilidade do microcontrolador fica comprometida; fico curioso sobre como as pessoas decidem quais componentes são necessários, como capacitores de desacoplamento; basta ler o datasheet e colocar tudo como está lá?

  • Conferir o datasheet é essencial; a maioria inclui exemplos de circuito obrigatórios que devem ser seguidos; além disso, bons hábitos são colocar capacitores de desacoplamento perto dos pinos do chip, estabilizar o ground e seguir layouts de referência; explicações sobre o processo de decisão de engenheiros experientes (por exemplo: https://www.youtube.com/watch?v=aVUqaB0IMh4) também ajudam bastante
  • Quase todo datasheet de componente traz circuito mínimo e projeto de referência; uso de ground plane, comprimento de trilhas de sinal e afins muitas vezes são explicados em application notes separadas
  • Ao projetar circuitos com microcontroladores, usar como referência placas de desenvolvimento com esquemas abertos facilita bastante definir um ponto de partida
  • Além de consultar o datasheet, colocar capacitores de desacoplamento o mais perto possível de todos os pinos de alimentação e deixar uma face da PCB como ground plane costuma resolver a maioria dos problemas

• Fiquei especialmente impressionado com o fato de terem encomendado peças metálicas usinadas em CNC; também sou iniciante em CAD e queria aprender

  • Cadastrei-me em um makerspace local e usei a machine shop; fiz treinamento e certificação para a máquina CNC e tentei projetar em CAD chapas metálicas simples para equipamento de filmagem; havia um gerador simples de G-code e um simulador para checar colisões; sempre que eu finalmente ia fabricar, alguém já tinha quebrado o cabeçote e a máquina estava parada, então acabei fazendo tudo manualmente e algumas medidas não ficaram perfeitas; se eu soubesse que existiam serviços de CNC, teria terceirizado direto e poupado o trabalho
  • Na verdade é bem simples; basta subir o arquivo step e você já consegue orçamento e ver se a fabricação é possível https://jlccnc.com/cnc-machining-quote

• Projeto realmente incrível; fiquei curioso se o custo de fabricação da PCB veio principalmente da montagem; pela JLCPCB, uma placa de 2 camadas com menos de 100 mm, acabamento HASL e opções básicas costuma ser barata; adicionar um slot na placa para a chapinha do conector USB gera custo extra? Quantas unidades foram montadas por pedido? Qual foi a proporção entre componentes da biblioteca padrão e da expandida? Se os conectores fossem soldados à mão separadamente, quanto mudaria? Como a estrutura de custo de picking/montagem sobe para todos os componentes quando há pelo menos um item da biblioteca expandida, fico curioso se a principal chave para reduzir custo é minimizar a variedade de componentes

  • Na prática, a principal origem do custo é mesmo a montagem; a placa usa JLCPCB 2 camadas com opções básicas, e só a cor preta elevou um pouco o valor; pedi de cinco em cinco, que é a quantidade mínima; tentei me manter o máximo possível na biblioteca padrão, mas fora os componentes passivos isso tem limites; não sei qual seria a diferença se eu soldasse os through-holes manualmente, mas não parece algo com que valha a pena se preocupar; e sim, minimizar a variedade de componentes ajuda; por exemplo, se você precisa de resistores de 4k e 6k, pode ser mais vantajoso combinar cinco de 2k

• Projeto extremamente impressionante; eu também queria comprar uma mount de harmonic drive grande para meu scope, mas a barreira de preço é alta demais; mesmo usando ferramentas como EKOS/Kstars/INDI, passei por bastante tentativa e erro; para controlar dispositivos indi em Python, tenho um código que escrevi https://github.com/dahlend/contindi

  • Fiquei curioso sobre a motivação para escrever esse código, já que o próprio EKOS parece ter uma função de agendamento bem boa; eu também cheguei a fazer uma interface de terminal (TUI) enquanto rodava um servidor INDI em um mini PC MeLE 4C https://www.svendewaerhert.com/content/blog/telescope-mount/inditui.png, e depois migrei para um servidor INDI remoto/headless por causa de problemas de estabilidade do GNOME Remote Desktop; em breve pretendo organizar melhor o código da TUI e subir no Github