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.