Chế tạo mount kính thiên văn bằng gear harmonic wave tùy chỉnh và ESP32

• Tác giả đã chế tạo một mount kính thiên văn tùy chỉnh bằng gear harmonic wave (harmonic drive) và vi điều khiển ESP32
• Do mount tracking thương mại có giá rất cao, tác giả đã chọn tự thiết kế và chế tạo theo hướng DIY
• Bài viết mô tả chi tiết toàn bộ quá trình thiết kế, gồm thiết kế và chế tạo PCB, dựng mô hình 3D bằng FreeCAD, lựa chọn linh kiện cấu thành, v.v.
• Tổng chi phí chế tạo vào khoảng 1.700 euro, và nếu tính theo đơn giá cho 1 bộ thì đạt năng lực cạnh tranh so với sản phẩm thương mại
• Tác giả chia sẻ hiệu năng chụp thiên văn thực tế và kinh nghiệm cải tiến thông qua việc tích hợp mount tự chế với firmware OnStepX

---

Điểm khởi đầu mới

Vài năm trước, tác giả được truyền cảm hứng từ một kênh YouTube về chụp ảnh thiên văn và bắt đầu quan tâm đến astrophotography. Tác giả thử chụp tinh vân Orion bằng cách chụp hàng trăm ảnh phơi sáng ngắn trên tripod rồi ghép lại bằng phần mềm Siril. Tuy nhiên, sau khi nhận ra sự cần thiết của thiết bị tracking, tác giả đã mua tracker Move Shoot Move, nhưng vì khó tìm thiên thể mục tiêu, khó căn cực và kết quả chưa như mong đợi, nên dần quan tâm đến việc tự chế một mount kính thiên văn bài bản hơn.

Mở rộng kinh nghiệm làm PCB

Năm 2024, tác giả tình cờ xem được video YouTube về thiết kế PCB tùy chỉnh, từ đó học cách sử dụng PCB sản xuất thực tế gọn gàng và rẻ hơn thay cho breadboard tạm bợ trước đây. Dự án đầu tiên là một bộ điều nhiệt thông minh dùng ESP32, màn hình e-paper và cảm biến BME680. Dựa trên kinh nghiệm đó, tác giả quyết định áp dụng trực tiếp kỹ thuật thiết kế và sản xuất PCB vào mount kính thiên văn của mình.

Nghiên cứu nghiêm túc và tận dụng tài nguyên cộng đồng

Thiết kế được xây dựng xoay quanh việc chọn harmonic drive. Tác giả đã dành nhiều thời gian nghiên cứu chọn linh kiện và cấu trúc cơ khí, tham khảo AliExpress cùng mã nguồn mở từ nhiều cộng đồng DIY khác nhau như HEMY, HrEM, DHEM, DIY EQ Mount V2. Đồng thời cũng khảo sát nhiều triển khai mã nguồn mở và thông tin cộng đồng liên quan đến động cơ stepper/servo, điều khiển FOC, SimpleFOC, v.v.

Quyết định thiết kế và cấu trúc

• Trục RA (xích kinh/đích xích đạo): servo 42AIM15 + harmonic drive Type 17 (tỉ số truyền 100:1)
• Trục DEC (xích vĩ): stepper MKS Servo042D + harmonic drive Type 14 (tỉ số truyền 100:1)
• Mount và housing: dùng plate Arca Swiss, tương thích với wedge Move Shoot Move
• Chế độ vận hành: GEM (xích đạo) hoặc ALTAZ (ngang-dọc)
• Vi điều khiển: ESP32-S3
• Nguồn điện: USB-C PD tối đa 24V/4A
• Điều khiển động cơ: step/dir/en, ULN2003 + MODBUS, CANBUS
• Khả năng mở rộng: đưa các chân GPIO còn lại ra ngoài

Nhờ các đặc tính microstep và điều khiển servo theo từng động cơ, thiết kế được đơn giản hóa đồng thời cải thiện độ chính xác tracking. Việc thay đổi microstep động qua CANBUS giúp hiện thực sự cân bằng giữa slew tốc độ cao (di chuyển vị trí nhanh) và tracking chính xác.

Thiết kế PCB và vượt qua sự cố

• Thiết kế PCB hình bán nguyệt bằng KiCad để khớp chính xác với case
• Dùng module ESP32-S3 không anten để tăng độ tự do khi bố trí, đồng thời áp dụng mạch nguồn vào USB-C (tối đa 24V)
• Sử dụng mạch mã nguồn mở PicoPD và IC AP33772. Chọn đầu nối JST PH series để có kết nối nhỏ gọn nhưng tải tốt
• Trong quá trình thay IC ban đầu, tác giả từng gặp lỗi đấu dây I2C và hoạt động sai, sau đó giải quyết ở phiên bản thứ hai bằng cách tăng cường kiểm chứng và bổ sung nhiều test point

Tích hợp firmware OnStepX

Áp dụng firmware mã nguồn mở OnStepX để hỗ trợ điều khiển kính thiên văn và giao tiếp WiFi. Ban đầu, khi slew (di chuyển điểm ngắm nhanh), ESP32 gặp vấn đề ổn định do quá tải; điều này được khắc phục bằng giảm tốc độ slew và chuyển sang chế độ WiFi client. Tác giả chỉ cần thêm file pin layout phù hợp với OnStepX cùng đoạn mã điều khiển microstep động là đã tích hợp thành công mà hầu như không cần sửa đổi gì thêm.

Quy trình sản xuất và lắp ráp

Cả PCB lẫn gia công kim loại CNC đều được thực hiện tại JLCPCB. Tác giả đã đưa ra một lựa chọn khá táo bạo là đặt CNC chỉ dựa trên bản vẽ CAD mà không in thử 3D trước, và vẫn nhận được độ chính xác linh kiện rất đáng hài lòng. Tuy vậy, vẫn có lỗi thiết kế ở nắp trục xích đạo, nhưng được xử lý đơn giản bằng spacer. Tất cả linh kiện đều có thể lắp ráp chỉ với ren taro M3/M4 và bắt vít. Việc tự taro thủ công cũng giúp giảm chi phí sản xuất.

Kinh nghiệm vận hành thực tế

Tác giả đã tích lũy kinh nghiệm thực chiến sau rất nhiều lần thử-sai với căn cực, thiết lập phần cứng và cấu hình phần mềm (INDI, KStars, Ekos, PHD2). Trong những lần vận hành đầu tiên, việc chụp thất bại xảy ra thường xuyên do nhiều vấn đề lớn nhỏ, nhưng sau quá trình ổn định, hệ thống đạt độ chính xác 1–2 arcsecond, đủ để chụp phơi sáng 30 giây với ống kính 600mm. Tác giả dùng Siril để ghép ảnh và đang tiếp tục hướng tới các mục tiêu khác như ghép ảnh multi-night.

Chi phí chế tạo và tính kinh tế

Tổng chi phí vào khoảng 1.700 euro (= bao gồm dụng cụ, phần cứng và linh kiện dự phòng cho nghiên cứu ban đầu). Nếu quy đổi theo giá thành cho 1 bộ thì vào khoảng 800 euro. So với mount GOTO thương mại (1.200–4.000 euro), giải pháp này cho thấy hiệu quả kinh tế cao, nhưng tác giả nhấn mạnh rằng trải nghiệm tự tay làm ra còn ý nghĩa hơn nhiều.

Đơn giá chi tiết theo từng hạng mục (tóm tắt các mục chính)

• Harmonic drive (2 cái): 144 euro
• MKS và servo motor (mỗi loại 2 cái): 73~216 euro
• Linh kiện CNC: 215 euro
• PCB, đầu nối, ốc vít, dụng cụ và các hạng mục khác

Kết luận và cảm nghĩ

Tác giả nhấn mạnh rằng trải nghiệm tự tay làm và quá trình giải quyết vấn đề, cùng toàn bộ vòng lặp thiết kế-sản xuất-kiểm chứng, mang lại ý nghĩa lớn hơn cả việc mua sản phẩm thương mại. Thất bại của PCB Version 1 cũng giúp rút ra bài học về tầm quan trọng của việc kiểm chứng cẩn thận. Tác giả học được nhiều điều trong quá trình nâng cao kỹ năng với FreeCAD, KiCad, tận dụng mã nguồn mở và phát triển phần cứng từ đầu đến cuối. Nhờ firmware OnStepX và tài nguyên cộng đồng, dự án mount kính thiên văn DIY được chứng minh là điều người bình thường cũng có thể thực hiện.

Tự tay làm ra và hiểu hoàn toàn chiếc mount theo dõi các vì sao của riêng mình — cảm giác thành tựu đó thực sự vô cùng đáng giá.