บันทึกการสร้างแท่นยึดกล้องดูดาวด้วยฮาร์มอนิกไดรฟ์แบบคัสตอมและ ESP32

• ผู้เขียนสร้างแท่นยึดกล้องดูดาวแบบคัสตอมโดยใช้ ฮาร์มอนิกไดรฟ์ (harmonic drive) และ ไมโครคอนโทรลเลอร์ ESP32
• เนื่องจาก แท่นติดตามเชิงพาณิชย์ ที่มีอยู่เดิมมีราคาสูงมาก จึงเลือกออกแบบและสร้างเองแบบ DIY
• อธิบายกระบวนการออกแบบทั้งหมดอย่างละเอียด ตั้งแต่ การออกแบบและผลิต PCB, การทำโมเดล 3D ด้วย FreeCAD ไปจนถึงการคัดเลือกชิ้นส่วนประกอบ
• ต้นทุนรวมในการผลิตอยู่ที่ราว 1,700 ยูโร และเมื่อคำนวณเป็นต้นทุนต่อ 1 เครื่อง ก็ยัง แข่งขันกับผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ได้
• แชร์ประสบการณ์ด้านประสิทธิภาพการถ่ายภาพดาราศาสตร์จริงและการปรับปรุงต่าง ๆ ผ่านการผสานแท่นที่สร้างเองเข้ากับ เฟิร์มแวร์ OnStepX

---

จุดเริ่มต้นใหม่

เมื่อหลายปีก่อน ผู้เขียนได้รับแรงบันดาลใจจาก ช่อง YouTube เกี่ยวกับการถ่ายภาพดาราศาสตร์ จนเริ่มสนใจงานอดิเรกนี้ โดยลองถ่ายเนบิวลานายพรานด้วยวิธีถ่ายภาพหลายร้อยใบด้วยเวลารับแสงสั้น ๆ บนขาตั้งกล้อง แล้วนำไปซ้อนภาพด้วยซอฟต์แวร์ Siril แต่ต่อมาก็รู้สึกถึง ความจำเป็นของอุปกรณ์ติดตาม จึงซื้อ Move Shoot Move tracker มาใช้ อย่างไรก็ตาม ความยากในการหาวัตถุเป้าหมายและการตั้งแนวแกนขั้วฟ้า รวมถึงผลลัพธ์ที่ยังไม่ดีพอ ทำให้เริ่มสนใจการสร้างแท่นกล้องดูดาวอย่างจริงจังมากขึ้น

การต่อยอดประสบการณ์ทำ PCB

ในปี 2024 ผู้เขียนบังเอิญเจอวิดีโอ YouTube เกี่ยวกับ การออกแบบ PCB แบบคัสตอม และได้เรียนรู้วิธีใช้ PCB สำหรับการผลิตจริง ที่เรียบร้อยและประหยัด แทนการต่อวงจรบนเบรดบอร์ดแบบไม่เป็นระเบียบเหมือนเดิม โปรเจ็กต์แรกคือการสร้างเทอร์โมสแตตอัจฉริยะโดยใช้ ESP32, จอ e-paper และเซ็นเซอร์ BME680 จากประสบการณ์นี้ ผู้เขียนจึงตัดสินใจนำทักษะการออกแบบและผลิต PCB ไปใช้กับแท่นกล้องดูดาวด้วยตนเอง

การศึกษาจริงจังและการใช้ทรัพยากรจากชุมชน

แนวคิดการออกแบบมุ่งเน้นไปที่ การเลือกใช้ฮาร์มอนิกไดรฟ์ โดยใช้โอเพนซอร์สจาก AliExpress และชุมชน DIY หลายแห่ง (HEMY, HrEM, DHEM, DIY EQ Mount V2 เป็นต้น) เป็นข้อมูลอ้างอิง และใช้เวลาอย่างมากในการศึกษาทั้ง การเลือกชิ้นส่วนและโครงสร้างกลไก นอกจากนี้ยังค้นคว้าข้อมูลจากโอเพนซอร์สและชุมชนเกี่ยวกับสเต็ปเปอร์/เซอร์โวมอเตอร์, การควบคุม FOC, SimpleFOC และแนวทางการพัฒนาต่าง ๆ

การตัดสินใจด้านการออกแบบและโครงสร้าง

• แกน RA (แกนศูนย์สูตร) : เซอร์โวมอเตอร์ 42AIM15 + ฮาร์มอนิกไดรฟ์ Type 17 (อัตราทด 100:1)
• แกน DEC (แกนเดคลิเนชัน) : MKS Servo042D stepper + ฮาร์มอนิกไดรฟ์ Type 14 (อัตราทด 100:1)
• แท่นและโครงครอบ: ใช้แผ่น Arca Swiss และรองรับการใช้งานร่วมกับ Move Shoot Move wedge
• โหมดการทำงาน: GEM (ศูนย์สูตร) หรือ ALTAZ (แนวราบ-แนวตั้ง)
• ไมโครคอนโทรลเลอร์: ESP32-S3
• พลังงาน: USB-C PD สูงสุด 24V/4A
• การควบคุมมอเตอร์: step/dir/en, ULN2003 + MODBUS, CANBUS
• การขยายระบบ: เปิดขา GPIO ที่เหลือออกมาใช้งานภายนอก

การออกแบบนี้ช่วยลดความซับซ้อนและเพิ่มความแม่นยำในการติดตามผ่านคุณลักษณะของไมโครสเต็ปและการควบคุมเซอร์โวของมอเตอร์แต่ละตัว อีกทั้งยังใช้ CANBUS เพื่อเปลี่ยนค่าไมโครสเต็ปแบบไดนามิก ทำให้ได้ สมดุลระหว่างการ slew ความเร็วสูง (การย้ายตำแหน่ง) และการติดตามอย่างแม่นยำ

การออกแบบ PCB และการเอาชนะปัญหา

• ออกแบบ PCB รูปครึ่งวงกลม ด้วย KiCad ให้พอดีกับเคสอย่างลงตัว
• ใช้โมดูล ESP32-S3 แบบไม่มีเสาอากาศเพื่อเพิ่มอิสระในการจัดวาง และเลือกวงจรรับไฟ USB-C (สูงสุด 24V)
• ใช้วงจรโอเพนซอร์ส PicoPD และชิป AP33772 พร้อมเลือกคอนเน็กเตอร์ตระกูล JST PH เพื่อให้ได้ การเชื่อมต่อขนาดเล็กแต่รองรับกระแสได้ดี
• ระหว่างการเปลี่ยน IC ครั้งแรก เคยเจอ ข้อผิดพลาดในการต่อ I2C และอาการทำงานผิดปกติ แต่แก้ไขได้ในเวอร์ชันที่ 2 ด้วยการตรวจสอบอย่างรอบคอบและเพิ่ม test point หลายจุด

การเชื่อมต่อกับเฟิร์มแวร์ OnStepX

นำ เฟิร์มแวร์โอเพนซอร์ส OnStepX มาใช้เพื่อรองรับการควบคุมกล้องดูดาวและการสื่อสารผ่าน WiFi ในช่วงแรกพบปัญหาด้านเสถียรภาพ โดย ESP32 ทำงานหนักเกินไปเมื่อมีการ slew ในช่วงเริ่มต้น (การเคลื่อนย้ายไปยังจุดเป้าหมายอย่างรวดเร็ว) แต่สามารถแก้ไขได้ด้วย การลดความเร็ว slew และเปลี่ยนเป็นโหมด WiFi client ผู้เขียนเพิ่มเพียงไฟล์ pin layout ที่สอดคล้องกับ OnStepX และโค้ดสำหรับควบคุมไมโครสเต็ปแบบไดนามิก ก็สามารถ ผสานรวมได้สำเร็จโดยแทบไม่ต้องแก้ไขอย่างอื่น

กระบวนการผลิตและประกอบ

ทั้งการผลิต PCB และการกัดโลหะด้วย CNC ทำผ่าน JLCPCB ทั้งหมด ผู้เขียนเลือกอย่างกล้าหาญด้วยการสั่งงาน CNC จากแบบ CAD โดยตรง โดยไม่พิมพ์ทดสอบ 3D ล่วงหน้า และได้ความแม่นยำของชิ้นส่วนที่น่าพอใจ อย่างไรก็ตาม มีข้อผิดพลาดในการออกแบบฝาครอบแกนศูนย์สูตร ซึ่งแก้ได้ง่ายด้วยการใช้สเปเซอร์ ชิ้นส่วนทั้งหมดสามารถประกอบได้ด้วยการต๊าปเกลียว M3/M4 และยึดด้วยสกรูเท่านั้น อีกทั้งยังลดต้นทุนการผลิตด้วยการ ต๊าปเกลียวด้วยมือเองโดยตรง

ประสบการณ์ใช้งานจริง

ผู้เขียนสะสมประสบการณ์ภาคสนามจากการลองผิดลองถูกมากมาย ทั้ง การตั้งแนวแกนขั้วฟ้า การตั้งค่าอุปกรณ์ และการตั้งค่าซอฟต์แวร์ (INDI, KStars, Ekos, PHD2) ช่วงใช้งานแรกมักถ่ายล้มเหลวจากปัญหาเล็กใหญ่หลายอย่าง แต่เมื่อปรับระบบจนเสถียรแล้ว ก็ทำได้ถึง ความแม่นยำระดับ 1~2 อาร์กวินาที ซึ่งเพียงพอสำหรับการเปิดรับแสง 30 วินาทีด้วยเลนส์ 600 มม. ผู้เขียนใช้ Siril สำหรับการรวมภาพ และกำลังเดินหน้าสู่เป้าหมายเพิ่มเติม เช่น การรวมภาพหลายคืน

ต้นทุนการสร้างและความคุ้มค่า

ต้นทุนรวมอยู่ที่ประมาณ 1,700 ยูโร (= รวมเครื่องมือ ฮาร์ดแวร์ และชิ้นส่วนสำหรับการทดลอง/วิจัยล่วงหน้า) หากคำนวณเป็นต้นทุนต่อเครื่อง จะอยู่ที่ราว 800 ยูโร ผู้เขียนยืนยันว่ามีความคุ้มค่าสูงเมื่อเทียบกับ แท่น GOTO เชิงพาณิชย์ (1,200~4,000 ยูโร) แต่ก็ให้ความสำคัญกับประสบการณ์การสร้างด้วยตัวเองมากยิ่งกว่า

ราคาย่อยตามรายการ (สรุปรายการหลัก)

• ฮาร์มอนิกไดรฟ์ (2 ชิ้น): 144 ยูโร
• MKS และเซอร์โวมอเตอร์ (อย่างละ 2 ชิ้น): 73~216 ยูโร
• ชิ้นส่วน CNC: 215 ยูโร
• PCB, คอนเน็กเตอร์, สกรู, เครื่องมือ และอื่น ๆ

บทสรุปและความรู้สึก

ผู้เขียนเน้นว่าประสบการณ์จากการลงมือสร้างเอง กระบวนการแก้ปัญหา และการได้ผ่านวงจรครบทั้งการออกแบบ-ผลิต-ตรวจสอบ มอบความรู้สึกสำเร็จที่ มีความหมายมากกว่าการซื้อผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป ความล้มเหลวของ PCB Version 1 ยังสอนให้เห็นถึงความสำคัญของการตรวจสอบอย่างรอบคอบด้วย ตลอดกระบวนการ ผู้เขียนได้บทเรียนหลากหลายจากการใช้ FreeCAD, การพัฒนาทักษะ KiCad, การนำโอเพนซอร์สมาใช้ และการพัฒนาฮาร์ดแวร์โดยรวม อีกทั้งยังพิสูจน์ว่า แท่นกล้องดูดาว DIY ก็เป็นโปรเจ็กต์ที่คนทั่วไปทำได้ ด้วยความช่วยเหลือจาก เฟิร์มแวร์ OnStepX และทรัพยากรจากชุมชน

การได้สร้างแท่นสำหรับติดตามดวงดาวด้วยตัวเอง และเข้าใจมันได้อย่างถ่องแท้—คือความภูมิใจที่มีคุณค่าอย่างแท้จริง