Слънчева обсерватория: 11 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

Какъв е наклонът на земната ос? На каква ширина съм?

Ако искате отговора бързо, или се обърнете към Google или към GPS приложение на вашия смартфон. Но ако имате Raspberry Pi, модул за камера и около година, за да направите някои наблюдения, можете сами да определите отговорите на тези въпроси. Чрез настройка на камера със слънчев филтър на фиксирано място и използване на Pi за правене на снимки по едно и също време всеки ден, можете да съберете много данни за пътя на слънцето през небето и, като разширение, за пътя на Земята около слънцето. В тази инструкция ще ви покажа как направих моя собствена слънчева обсерватория за под 100 долара.

Преди да отидем много по-далеч обаче, трябва да отбележа, че съм само два месеца в моя едногодишен експеримент, така че няма да мога да включа окончателните резултати. Мога обаче да споделя моя опит при изграждането на този проект и да се надявам да ви дам представа как да изградите свой собствен.

Макар и да не е никак труден, този проект предоставя възможност за упражняване на няколко различни умения. Като минимум трябва да можете да свържете Raspberry Pi към камера и серво и ще трябва да можете да извършите известно ниво на софтуерна разработка, за да извлечете данни от снимките, които правите. Използвах и основни инструменти за дървообработване и 3D принтер, но те не са от решаващо значение за този проект.

Ще опиша и дългосрочните усилия за събиране на данни, които съм предприел и как ще използвам OpenCV, за да превърна стотици снимки в числови данни, които могат да бъдат анализирани с помощта на електронна таблица или език за програмиране по ваш избор. Като бонус, ние също ще се включим в нашата артистична страна и ще разгледаме някои интересни визуални образи.

Стъпка 1: Tldr; Кратки инструкции

Този Instructable е малко по-дълъг, така че за да започнете, ето голите кости, без допълнителни подробности, предоставени инструкции.

1. Вземете Raspberry Pi, камера, серво, реле, слънчево фолио, брадавици на стената и разнообразен хардуер
2. Свържете целия хардуер
3. Конфигурирайте Pi и напишете няколко прости скрипта за правене на снимки и запазване на резултатите
4. Изградете кутия за проект и монтирайте целия хардуер в нея
5. Намерете място, където да поставите проекта, където може да види слънцето и няма да се блъсне или да се тласне
6. Поставете го там
7. Започнете да правите снимки
8. На всеки няколко дни премествайте снимките на друг компютър, за да не запълните SD картата си
9. Започнете да изучавате OpenCV, за да можете да извличате данни от вашите изображения
10. Изчакайте една година

Това е проектът накратко. Сега продължете да четете за допълнителни подробности относно тези стъпки.

Стъпка 2: Предистория

Хората наблюдават слънцето, луната и звездите толкова дълго, колкото сме наоколо и този проект не постига нищо, което нашите предци не са правили преди хиляди години. Но вместо да поставяме пръчка в земята и да използваме камъни, за да маркираме местоположението на сенките в ключови моменти, ще използваме Raspberry Pi и камера и ще направим всичко от комфорта в домовете си. Вашият проект няма да бъде туристически обект след хиляда години, но от друга страна, няма да се налага да се борите да поставите гигантски камъни.

Общата идея в този проект е да насочите камера на определено място в небето и да правите снимки по едно и също време всеки ден. Ако имате подходящ филтър на фотоапарата и правилната скорост на затвора, ще имате ясни, добре дефинирани изображения на диска на слънцето. Използвайки тези снимки, можете да поставите виртуална пръчка в земята и да научите доста интересни неща.

За да запазя размера на този Instructable управляем, всичко, което ще разгледам, е как да се определи наклона на земната ос и географската ширина, където са направени снимките. Ако секцията с коментари показва достатъчно интерес, мога да говоря за някои от другите неща, които можете да научите от вашата слънчева обсерватория в следваща статия.

Аксиален наклон Ъгълът между слънцето в деня, в който е най -далеч на север, и денят, в който е най -далеч на юг, е същият като наклона на земната ос. Може да сте научили в училище, че това е 23,5 градуса, но сега ще разберете това от собствените си наблюдения, а не просто от учебник.

Географска ширина Сега, когато знаем наклона на земната ос, извадете това от височината на пътя на слънцето в най -дългия ден от годината, за да научите географската ширина на вашето текущо местоположение.

Защо Bother? Очевидно бихте могли да намерите тези стойности много по -точно и бързо, но ако сте от типа хора, които четат Instructables, знаете, че има много удовлетворение да го направите сами. Изучаването на факти за света около вас, използвайки само прости, директни наблюдения и директна математика, е целият смисъл на този проект.

Стъпка 3: Необходими компоненти

Въпреки че можете да направите целия този проект с подходящо скъпа и фантастична камера, аз нямам такава. Целта на този проект беше да използвам това, което вече имах под ръка от предишни проекти. Това включва Raspberry Pi, модул за камера и повечето от другите елементи, изброени по -долу, въпреки че трябваше да отида в Amazon за няколко от тях. Общата цена, ако трябва да купите всичко, ще бъде около 100 USD.

• Raspberry Pi (всеки модел ще го направи)
• Модул за камера на Raspberry Pi
• По -дълъг лентов кабел за камера (по избор)
• Безжичен ключ
• Стандартно серво
• 5V реле
• Захранван USB хъб
• Разклонител и удължителен кабел
• Лист на слънчев филм
• Скрап дървен материал, пластмаса, HDPE и др
• Гофрирана дъска за проектиране

Използвах и моя 3D принтер Monoprice, но това беше удобство, а не необходимост. Малко творчество от ваша страна ще ви позволи да измислите подходящ начин да се справите без това.

Стъпка 4: Конфигуриране на Raspberry Pi

Настройвам

Няма да навлизам подробно тук и ще предположа, че сте доволни от инсталирането на ОС на Pi и конфигурирането му. Ако не, има много ресурси в мрежата, които да ви помогнат да започнете.

Ето най -важните неща, на които трябва да обърнете внимание по време на настройката.

• Уверете се, че вашата WiFi връзка се стартира автоматично, когато Pi се рестартира
• Активиране на ssh Проектът вероятно ще бъде инсталиран на място, така че няма да го закачите за монитор и клавиатура. Ще използвате ssh & scp доста, за да го конфигурирате и да копирате снимки на друг компютър.
• Не забравяйте да активирате автоматичното влизане чрез ssh, за да не се налага всеки път да въвеждате паролата си ръчно
• Активиране на модула на камерата Много хора включват камерата, но забравят да я активират
• Деактивирайте режима GUI Ще работите без глава, така че няма нужда да харчите системни ресурси, работещи с X сървър
• Инсталирайте пакета gpio с помощта на apt-get или подобен
• Задайте часовата зона на UTC Искате вашите снимки по едно и също време всеки ден и не искате да бъдете изхвърлени от лятното часово време. Най -лесно е просто да използвате UTC.

Сега би било подходящ момент да експериментирате с модула на камерата. Използвайте програмата 'raspistill', за да направите няколко снимки. Трябва също да експериментирате с опциите на командния ред, за да видите как се контролира скоростта на затвора.

Хардуерни интерфейси

Модулът на камерата има собствен специален интерфейс с лентов кабел, но ние използваме GPIO щифтовете за управление на релето и серво. Обърнете внимание, че в общата употреба има две различни схеми за номериране и е лесно да се объркате. Предпочитам да използвам опцията '-g' за командата gpio, за да мога да използвам официалните пинови номера.

Вашият избор на щифтове може да варира, ако имате различен модел Pi от този, който използвам. Консултирайте диаграмите за извеждане за вашия конкретен модел за справка.

• Pin 23 - Цифров изход към релето Този сигнал включва релето, което осигурява захранване на серво
• Щифт 18 - ШИМ към серво Положението на серво се контролира от сигнал за модулация на ширината на импулса
• Заземяване - Всеки заземяващ щифт ще бъде достатъчен

Вижте приложените скриптове на обвивката за контролиране на тези щифтове.

Забележка: Диалогът за качване на този сайт възрази срещу опитите ми да кача файлове, завършили с '.sh'. Затова ги преименувах с разширение „.notsh“и качването работи добре. Вероятно ще искате да ги преименувате на '.sh' преди употреба.

crontab

Тъй като искам да правя снимки на всеки пет минути за период от около 2,5 часа, използвах crontab, която е системна помощна програма за изпълнение на команди по график, дори когато не сте влезли в системата. Синтаксисът за това е малко тромав, затова използвайте търсачка по ваш избор, за да получите повече подробности. Съответните редове от моя crontab са приложени.

Това, което правят тези записи, е а) да правите снимки на всеки пет минути с поставен слънчев филтър и б) да изчаквате няколко часа и да правите няколко снимки без филтър на място.

Стъпка 5: Project Box

Наистина ще спестя инструкциите в този раздел и ще ви оставя на вашето въображение. Причината е, че всяка инсталация ще бъде различна и ще зависи от това къде инсталирате проекта и от видовете материали, с които работите.

Най -важният аспект на проектната кутия е, че тя е поставена така, че да не се движи лесно. Камерата не трябва да се движи, след като започнете да правите снимки. В противен случай ще трябва да напишете софтуер, за да извършите регистрация на изображението и да подредите всички снимки по цифров път. По -добре е да имате фиксирана платформа, за да не се налага да се справяте с този проблем.

За моята кутия за проект използвах 1/2 "MDF, малко парче 1/4" шперплат, 3D отпечатана рамка, за да държи камерата под желания ъгъл и някаква бяла гофрирана дъска за проектиране. Това последно парче е поставено пред 3D отпечатаната рамка, за да го предпази от пряка слънчева светлина и да избегне потенциални проблеми с изкривяването.

Оставих гърба и горната част на кутията отворени в случай, че трябва да стигна до електрониката, но това все още не се е случило. Той работи вече седем седмици, без да се нуждае от корекции или ощипвания от моя страна.

Подвижен филтър

Единствената част от проектната кутия, която заслужава някакво обяснение, е серво с подвижното рамо.

Стандартният модул за камера на Raspberry Pi не работи толкова добре, ако просто го насочите към слънцето и направите снимка. Повярвайте ми в това … опитах.

За да получите използваема картина на слънцето, трябва да поставите слънчев филтър пред обектива. Вероятно има скъпи готови филтри, които можете да си купите за това, но аз направих свой собствен, използвайки малко парче слънчев филм и парче от 1/4 HDPE с кръгъл отвор в него. Слънчевият филм може да бъде закупен от Amazon за около 12 лв. В ретроспекция бих могъл да поръчам много по -малко парче и да спестя малко пари. Ако имате някои стари очила за слънчево затъмнение, разположени около неизползвани, може да успеете да отрежете една от лещите и да направите подходящ филтър.

Преместване на филтъра

Докато повечето от снимките, които правите, ще бъдат с поставен филтър, вие също искате да получавате снимки в други часове на деня, когато слънцето е извън рамката. Това ще използвате като фонови изображения за наслагване на вашите филтрирани слънчеви снимки. Можете да го изградите така, че ръчно да премествате филтъра и да правите тези фонови изображения, но аз имах допълнително серво и исках да автоматизирам тази стъпка.

За какво е релето?

Между начина, по който Pi генерира PWM сигнали и ниското ниво на серво, което използвах, имаше моменти, в които включвах всичко, а сервото просто седеше там и „бърбореше“. Тоест, той ще се движи напред -назад с много малки стъпки, докато се опитва да намери точната позиция, която Pi командва. Това накара сервото да се нагорещи много и издаде досаден шум. Затова реших да използвам реле за захранване на сервото само през двата пъти на ден, когато искам да правя нефилтрирани снимки. Това наложи използването на друг цифров изходен извод на Pi за подаване на управляващ сигнал към релето.

Стъпка 6: Осигуряване на захранване

В този проект има четири елемента, които се нуждаят от енергия:

1. Малина Пи
2. Wi-Fi ключ (Ако използвате по-нов модел Pi с вграден wi-fi, това няма да е необходимо)
3. 5V реле
4. Серво

Важно: Не се опитвайте да захранвате серво директно от 5V щифта на Raspberry Pi. Сервото черпи повече ток, отколкото Pi може да осигури и вие ще нанесете непоправима вреда на платката. Вместо това използвайте отделен източник на захранване за захранване на серво и реле.

Това, което направих, беше да използвам една 5V стенна брадавица за захранване на Pi и друга за захранване на стар USB хъб. Хъбът се използва за включване на Wi-Fi ключа и за захранване на реле и серво. Сервото и релето нямат USB жакове, затова взех стар USB кабел и отрязах конектора от края на устройството. След това свалих 5V и заземяващите проводници и ги свързах към релето и сервото. Това осигури източник на захранване на тези устройства, без да рискува повреда на Pi.

Забележка: Pi и външните компоненти не са напълно независими. Тъй като имате контролни сигнали, идващи от Pi към релето и серво, трябва също да имате заземяваща линия, която се връща от тези елементи към Pi. Между хъба и Pi има и USB връзка, така че wi-fi да може да работи. Електроинженер вероятно ще потръпне от потенциала за заземяване и други електрически пакости, но всичко работи, така че няма да се притеснявам за липсата на инженерни постижения.:)

Стъпка 7: Съберете всичко заедно

След като свържете всички части, следващата стъпка е да монтирате серво, рамото на затвора и камерата върху монтажната плоча.

На една снимка по -горе можете да видите рамото на затвора в положение (минус слънчевия филм, който още не бях залепил). Рамото на затвора е изработено от 1/4 HDPE и е прикрепено с помощта на една от стандартните главини, доставени със серво.

На другата снимка можете да видите задната част на монтажната плоча и как са прикрепени серво и камера. След като беше направена тази снимка, преработих бялото парче, което виждате, за да приближите обектива на фотоапарата до рамото на затвора и след това го отпечатах отново в зелено. Ето защо на други снимки бялата част не присъства.

Дума на предпазливост

Модулът на камерата има много малък лентов кабел на дъската, който свързва действителната камера с останалата част от електрониката. Този малък конектор има досадна тенденция да изскача често от гнездото си. Когато изскача, raspistill съобщава, че камерата не е свързана. Прекарах много време безрезултатно да поставям отново двата края на по-големия лентов кабел, преди да осъзная къде е истинският проблем.

След като разбрах, че проблемът е малкият кабел на платката, се опитах да го задържа с Kapton лента, но това не се получи и накрая прибягнах до малко горещо лепило. Досега лепилото го е държало на място.

Стъпка 8: Избор на сайт

Големите телескопи в света са разположени на върховете на планините в Перу, Хавай или на друго относително отдалечено място. За този проект пълният ми списък с кандидатстващи сайтове включваше:

• Перваза на изток в моята къща
• Перваза на прозореца на запад в моята къща
• Перваза на прозореца на юг в моята къща

По -специално в този списък липсват Перу и Хавай. И така, предвид тези избори, какво трябваше да направя?

Прозорецът с южно изложение има широко отворено пространство без видими сгради, но поради проблем с метеорологичния уплътнител, той не е оптически ясен. Прозорецът, обърнат на запад, предлага чудесен изглед към връх Пайкс и би направил страхотна гледка, но той се намира в семейната стая и съпругата ми може да не хареса, че научният ми проект ще бъде изложен толкова видно за цяла година. Това ме остави с изглед към изток, който гледа към голяма антенна кула и задната част на местния Safeway. Не много красиво, но това беше най -добрият избор.

Наистина, най -важното нещо е да се намери място, където проектът няма да бъде тласкан, преместен или по друг начин нарушен. Докато можете да поставите слънцето в рамка за час два всеки ден, всяка посока ще работи.

Стъпка 9: Правене на снимки

Облачно небе

Случва се да живея някъде, където всяка година грее много слънце, което е добре, тъй като облаците наистина играят поразия с картините. Ако е малко облачно, слънцето излиза като бледозелен диск, а не добре дефиниран оранжев диск, който получавам в безоблачен ден. Ако е доста облачно, нищо не се показва на изображението.

Започнах да пиша софтуер за обработка на изображения, за да облекча тези проблеми, но този код все още не е готов. Дотогава просто трябва да се справя с капризите на времето.

Архивирайте вашите данни

С камерата, която използвам, и броя на снимките, които правя, генерирам около 70 MB изображения всеки ден. Дори ако micro-SD картата на Pi беше достатъчно голяма, за да съхранява данни за една година, не бих й се доверил. На всеки няколко дни използвам scp, за да копирам последните данни на работния си плот. Там разглеждам изображенията, за да се уверя, че са добре и че не се е случило нищо странно. След това копирам всички тези файлове в моя NAS, така че да имам две независими копия на данните. След това се връщам към Pi и изтривам оригиналните файлове.

Стъпка 10: Аналема (или … астрономически голяма фигура осма)

Освен определяне на аксиалния наклон и географска ширина, правенето на снимки по едно и също време всеки ден може да ни осигури и много хладен изглед на пътя на Слънцето в продължение на една година.

Ако някога сте гледали филма Cast Away with Tom Hanks, може би си спомняте сцената в пещерата, където той отбеляза пътя на слънцето с течение на времето и той направи осмица. Когато за пръв път видях тази сцена, исках да науча повече за това явление и само седемнадесет години по -късно най -накрая започвам да правя точно това!

Тази форма се нарича аналема и е резултат от наклона на земната ос и факта, че орбитата на Земята е елипсовидна, а не перфектен кръг. Заснемането на такъв във филм е толкова просто, колкото настройването на камера и правенето на снимка по едно и също време всеки ден. Въпреки че в мрежата има много много добри снимки на аналема, едно от нещата, които ще направим в този проект, е да създадем свои собствени. За много повече относно аналемата и как човек може да бъде в центъра на доста полезен алманах, вижте тази статия.

Преди появата на цифровата фотография, заснемането на снимка на аналема изискваше действителни фотографски умения, тъй като ще трябва внимателно да направите няколко експозиции на едно и също парче филм. Очевидно камерата на Raspberry Pi няма филм, така че вместо умения и търпение, просто ще комбинираме множество цифрови изображения, за да постигнем същия ефект.

Стъпка 11: Какво следва?

Сега, след като малкият фотоапарат-робот е на място и прави вярно снимки всеки ден, какво следва? Оказа се, че има още доста неща за вършене. Обърнете внимание, че повечето от тях ще включват писане на python и използване на OpenCV. Харесва ми python и исках извинение да науча OpenCV, така че това е печелившо за мен!

1. Автоматично откриване на облачни дни Ако е твърде облачно, слънчевият филм и късата скорост на затвора създават непрозрачна картина. Искам автоматично да открия това състояние и след това или да увелича скоростта на затвора, или да преместя слънчевия филтър от пътя.
2. Използвайте обработка на изображения, за да намерите слънцето дори в облачни снимки Подозирам, че е възможно да се намери централната точка на слънцето, дори ако облаците са на пътя.
3. Поставете слънчеви дискове върху ясна фонова картина, за да образувате следа от пътя на слънцето през деня
4. Създайте аналема Същата основна техника като последната стъпка, но използвайки снимки, направени по едно и също време всеки ден
5. Измерете ъгловата разделителна способност на камерата (градуси/пиксел) Това ще ми е необходимо за по -късните ми изчисления

Има нещо повече от това, но това ще ме задържи за известно време.

Благодаря, че се придържате към мен до края. Надявам се, че описанието на този проект Ви е харесало и че Ви мотивира да се заемете със своя собствен следващ проект!