Sončni observatorij: 11 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Kakšen je nagib Zemljine osi? Na kateri zemljepisni širini sem?

Če želite hiter odgovor, se obrnite na Google ali aplikacijo GPS na pametnem telefonu. Če pa imate Raspberry Pi, modul kamere in kakšno leto za nekaj opazovanj, lahko sami določite odgovore na ta vprašanja. Če na fiksno mesto postavite kamero s sončnim filtrom in uporabite Pi za fotografiranje vsak dan ob istem času, lahko zberete veliko podatkov o sončni poti skozi nebo in s tem o poti Zemlje okoli sonce. V tem Instructable -u vam pokažem, kako sem naredil svoj sončni observatorij za manj kot 100 USD.

Preden gremo še dlje, pa moram poudariti, da sem v svojem enoletnem poskusu šele dva meseca, zato končnih rezultatov ne bom mogel vključiti. Lahko pa delim svoje izkušnje pri gradnji tega projekta in upam, da vam predstavim, kako zgraditi svojega.

Čeprav sploh ni težak, ta projekt ponuja priložnost za uveljavljanje več različnih spretnosti. Vsaj morate biti sposobni priključiti Raspberry Pi na kamero in servo, poleg tega pa boste morali biti sposobni narediti določeno stopnjo razvoja programske opreme za pridobivanje podatkov iz posnetih fotografij. Uporabil sem tudi osnovna orodja za obdelavo lesa in 3D tiskalnik, ki pa pri tem projektu niso ključnega pomena.

Opisala bom tudi dolgoročna prizadevanja pri zbiranju podatkov in kako bom z OpenCV spremenila na stotine slik v numerične podatke, ki jih je mogoče analizirati s preglednico ali po vašem programskem jeziku. Kot bonus se bomo dotaknili tudi naše umetniške plati in si ogledali nekaj zanimivih vizualnih podob.

1. korak: Tldr; Kratka navodila

Ta Instructable je malo na dolgi strani, zato za začetek tukaj so gole kosti, brez dodatnih podrobnosti.

1. Pridobite Raspberry Pi, kamero, servo, rele, sončno folijo, stenske bradavice in različno strojno opremo
2. Priključite vso to strojno opremo
3. Konfigurirajte Pi in napišite nekaj preprostih skriptov za fotografiranje in shranjevanje rezultatov
4. Zgradite projektno škatlo in vanj vgradite vso to strojno opremo
5. Poiščite prostor, kjer boste projekt postavili tako, da bo videl sonce in ga ne bo udaril ali udaril
6. Daj ga tja
7. Začnite fotografirati
8. Vsakih nekaj dni slike premaknite v drug računalnik, da ne napolnite kartice SD
9. Začnite se učiti OpenCV, da lahko izvlečete podatke iz svojih slik
10. Počakaj eno leto

To je na kratko projekt. Zdaj nadaljujte z branjem za dodatne podrobnosti o teh korakih.

2. korak: Ozadje

Ljudje opazujemo sonce, luno in zvezde tako dolgo, kot smo mi, in ta projekt ne dosega ničesar, česar naši predniki niso storili pred tisočletji. Toda namesto da bi v zemljo položili palico in s kamenjem označevali lokacije senc v ključnih časih, bomo uporabili Raspberry Pi in kamero ter vse to naredili v udobju naših domov. Vaš projekt čez tisoč let ne bo turistično mesto, a na pozitivni strani se vam tudi ne bo treba truditi, da bi postavili ogromne balvane.

Splošna ideja tega projekta je usmeriti kamero na določeno mesto na nebu in fotografirati vsak dan ob istem času. Če imate na fotoaparatu ustrezen filter in pravo hitrost zaklopa, boste imeli ostre, dobro definirane slike sončnega diska. Z uporabo teh slik lahko v tla postavite virtualno palico in se naučite kar nekaj zanimivih stvari.

Da bi ohranili velikost tega Instructable obvladljivega, bom obravnaval le, kako določiti nagib Zemljine osi in zemljepisno širino, na kateri so posnete slike. Če odsek s komentarji kaže na dovolj zanimanja, lahko v naslednjem članku govorim o nekaterih drugih stvareh, ki se jih lahko naučite iz svojega sončnega observatorija.

Aksialni nagib Kot med soncem na dan, ko je najbolj oddaljen od severa, in dan, ko je najbolj južno, je enak nagibu Zemljine osi. Morda ste se v šoli naučili, da je to 23,5 stopinj, zdaj pa boste to vedeli iz lastnih opazovanj in ne le iz učbenika.

Zemljepisna širina Zdaj, ko poznamo nagib Zemljine osi, to odštejte od višine sončne poti na najdaljši dan v letu, da ugotovite zemljepisno širino vaše trenutne lokacije.

Zakaj Bother? Očitno bi te vrednosti lahko našli veliko bolj natančno in hitro, če pa ste tip človeka, ki bere Instructables, veste, da je veliko zadovoljstva, če to storite sami. Bistvo tega projekta je spoznavanje dejstev o svetu okoli vas z uporabo le preprostih, neposrednih opazovanj in neposredne matematike.

Korak: Potrebne komponente

Čeprav bi lahko celoten projekt izvedli s primerno drago in domišljijsko kamero, jaz nimam enega od teh. Cilj tega projekta je bil uporabiti tisto, kar sem že imel pri roki iz prejšnjih projektov. To je vključevalo Raspberry Pi, modul kamere in večino drugih spodaj navedenih elementov, čeprav sem moral nekaj oditi v Amazon. Skupni stroški, če boste morali kupiti vse, bodo okoli 100 USD.

• Raspberry Pi (kateri koli model bo primeren)
• Modul kamere Raspberry Pi
• Daljši trak za kamero (neobvezno)
• Brezžični ključ
• Standardni servo
• Rele 5V
• Napajalno zvezdišče USB
• Napajalni trak in podaljšek
• List sončne folije
• Odpadni les, plastika, HDPE itd
• Valovita projektna plošča

Uporabil sem tudi svoj 3D tiskalnik Monoprice, vendar je bilo to priročno in ne nujno. Nekaj ustvarjalnosti na vaši strani vam bo omogočilo, da brez tega najdete ustrezen način.

4. korak: Konfiguriranje Raspberry Pi

Nastaviti

Tukaj ne bom šel v podrobnosti in domnevam, da vam ni všeč namestiti OS na Pi in ga konfigurirati. Če ne, je na spletu veliko virov, ki vam bodo pomagali začeti.

Tu so najpomembnejše stvari, na katere morate biti pozorni med namestitvijo.

• Prepričajte se, da se vaša povezava WiFi samodejno zažene, ko se Pi znova zažene
• Omogoči ssh Projekt bo verjetno nameščen na prostem, zato ga ne boste priklopili na monitor in tipkovnico. Za nastavitev in kopiranje slik v drug računalnik boste uporabili precej ssh & scp.
• Omogočite samodejno prijavo prek ssh, tako da vam gesla ni treba vsakič vnesti ročno
• Omogočanje modula kamere Veliko ljudi priklopi fotoaparat, vendar ga pozabi omogočiti
• Onemogočite način grafičnega vmesnika Delovali boste brez glave, zato vam ni treba porabiti sistemskih virov za zagon strežnika X
• Namestite paket gpio z uporabo apt-get ali podobnega
• Nastavitev časovnega pasu na UTC Želite, da so vaše slike vsak dan ob istem času in da se poletni čas ne zavrže. Najlažje je uporabiti UTC.

Zdaj bi bil pravi čas za eksperimentiranje z modulom kamere. S programom 'raspistill' naredite nekaj slik. Poskusite tudi z možnostmi ukazne vrstice, da vidite, kako se nadzoruje hitrost zaklopa.

Strojni vmesniki

Modul kamere ima svoj lasten vmesnik s tračnim kablom, vendar za upravljanje releja in servomotorja uporabljamo zatiče GPIO. Upoštevajte, da v skupni rabi obstajata dve različni shemi oštevilčevanja, ki ju je enostavno zamenjati. Za ukaz gpio raje uporabim možnost '-g', da lahko uporabim uradne številke pin.

Vaša izbira zatičev se lahko razlikuje, če imate drugačen model Pi, kot ga uporabljam jaz. Za referenco si oglejte diagrame izhodov za vaš poseben model.

• Pin 23 - Digitalni izhod na rele Ta signal vklopi rele, ki napaja servo
• Pin 18 - PWM na servo Položaj servo krmili signal impulzne širine
• Ozemljitev - Vsak ozemljitveni zatič bo dovolj

Za nadzor teh zatičev si oglejte priložene skripte lupine.

Opomba: Pogovorno okno za nalaganje na to spletno mesto je nasprotovalo mojim poskusom nalaganja datotek, ki so se končale z '.sh'. Zato sem jih preimenoval z razširitvijo '.notsh' in nalaganje je delovalo dobro. Verjetno jih boste pred uporabo želeli preimenovati nazaj v '.sh'.

crontab

Ker želim fotografirati vsakih pet minut v obdobju približno 2,5 ure, sem uporabil crontab, ki je sistemski pripomoček za izvajanje načrtovanih ukazov, tudi če niste prijavljeni. Sintaksa za to je nekoliko nerodna, zato uporabite iskalnik po vaši izbiri za več podrobnosti. Ustrezne vrstice iz mojega crontaba so priložene.

Ti vnosi naredijo naslednje: a) fotografirajte vsakih pet minut z nameščenim sončnim filtrom in b) počakajte nekaj ur in naredite nekaj slik brez nameščenega filtra.

5. korak: Project Box

V tem razdelku bom res skop za navodila in vas prepuščam svoji domišljiji. Razlog je v tem, da bo vsaka namestitev drugačna in bo odvisna od tega, kje namestite projekt, in vrste materiala, s katerim delate.

Najpomembnejši vidik projektne škatle je, da je postavljena tako, da se ne bo zlahka premikala. Ko začnete fotografirati, se fotoaparat ne sme premakniti. V nasprotnem primeru boste morali za registracijo slik napisati programsko opremo in vse slike digitalno poravnati. Bolje je, da imate fiksno platformo, da vam ne bo treba reševati tega problema.

Za svojo projektno škatlo sem uporabil 1/2 "MDF, majhen kos 1/4" vezanega lesa, 3D natisnjen okvir za držanje kamere pod želenim kotom in nekaj bele valovite projektne plošče. Zadnji del je postavljen pred 3D -tiskani okvir, da ga zaščiti pred neposredno sončno svetlobo in prepreči morebitne težave pri upogibanju.

Zadnji del in zgornji del škatle sem pustil odprte, če bi moral priti do elektronike, vendar se to še ni zgodilo. Deluje že sedem tednov, ne da bi potreboval kakršne koli popravke ali popravke z moje strani.

Premični filter

Edini del projektne škatle, ki si zasluži razlago, je servo s premično roko.

Standardni modul kamere Raspberry Pi ne deluje tako dobro, če ga samo usmerite proti soncu in fotografirate. Verjemite mi … poskusil sem.

Če želite dobiti uporabno sliko sonca, morate pred lečo postaviti sončni filter. Verjetno lahko kupite drage vnaprej izdelane filtre, vendar sem jih naredil sam z majhnim kosom sončne folije in kosom 1/4 HDPE z izrezano krožno luknjo. Sončno folijo lahko kupite pri Amazon za približno 12 USD. Če pogledam nazaj, bi lahko naročil veliko manjši kos in prihranil malo denarja. Če imate okoli starih neuporabljenih leča očala za sončni mrk, boste morda lahko odrezali eno od leč in naredili ustrezen filter.

Premikanje filtra

Medtem ko bo večina fotografij, ki jih posnamete, z nameščenim filtrom, jih želite dobiti tudi ob drugih urah dneva, ko sonce ni v kadru. To je tisto, kar boste uporabili kot slike ozadja za prekrivanje vaših filtriranih sončnih slik. Lahko bi ga zgradili tako, da ročno premaknete filter in posnamete te slike ozadja, vendar sem imel na voljo dodaten servo in sem želel ta korak avtomatizirati.

Za kaj je rele?

Med načinom, na katerega Pi ustvarja signale PWM, in nizkocenovnim servo, ki sem ga uporabil, so bili časi, ko sem vse vklopil, servo pa bi sedel tam in "klepetal". To pomeni, da bi se premikal naprej in nazaj v zelo majhnih korakih, ko bi poskušal najti natančen položaj, ki mu je poveljeval Pi. Zaradi tega se je servo zelo segrel in povzročil moteč hrup. Zato sem se odločil za uporabo releja za napajanje servomotorja le dvakrat na dan, ko želim posneti nefiltrirane slike. To je zahtevalo uporabo drugega digitalnega izhodnega zatiča na Pi za zagotavljanje krmilnega signala releju.

6. korak: Zagotavljanje energije

V tem projektu so potrebni štirje elementi:

1. Malina Pi
2. Dongle Wi-Fi (če uporabljate novejši model Pi z vgrajenim wi-fi, to ne bo potrebno)
3. 5V rele
4. Servo

Pomembno: Ne poskušajte napajati servo neposredno iz 5V zatiča na Raspberry Pi. Servo črpa več toka, kot ga lahko zagotovi Pi, in plošči boste naredili nepopravljivo škodo. Namesto tega za napajanje servo in releja uporabite ločen vir napajanja.

Kar sem naredil, sem uporabil eno 5V stensko bradavico za napajanje Pi in drugo za napajanje starega zvezdišča USB. Pesto se uporablja za priključitev ključa Wi-Fi in za napajanje releja in servomotorja. Servo in rele nimata priključkov USB, zato sem vzel star kabel USB in odrezal konektor s konca naprave. Nato sem odstranil 5V in ozemljitvene žice ter jih priključil na rele in servo. To je zagotovilo vir energije za te naprave, ne da bi tvegalo poškodbe Pi.

Opomba: Pi in zunanje komponente niso popolnoma neodvisne. Ker imate krmilne signale, ki prihajajo od Pi do releja in servo, morate imeti tudi ozemljitveno linijo, ki se vrne od teh elementov do Pi. Obstaja tudi povezava USB med zvezdiščem in Pi, da lahko deluje wi-fi. Inženir elektrotehnike bi se verjetno zgražal pred možnostjo ozemljitvenih zank in drugih električnih napak, vendar vse deluje, zato me ne bo skrbelo pomanjkanje inženirske odličnosti.:)

Korak 7: Vse skupaj

Ko priključite vse dele, je naslednji korak namestitev servo, ročice in kamere na montažno ploščo.

Na zgornji sliki lahko vidite, da je ročica na mestu (brez sončne folije, ki je še nisem nalepila). Ročica je narejena iz 1/4 HDPE in je pritrjena z enim od standardnih pestov, ki so priloženi servo pogonu.

Na drugi sliki si lahko ogledate zadnjo stran montažne plošče in kako sta pritrjena servo in kamera. Po tem, ko je bila posneta ta slika, sem preoblikoval beli kos, ki ga vidite, da približate objektiv fotoaparata roki zaklopa, nato pa ga ponovno natisnil v zeleni barvi. Zato na drugih slikah belega dela ni.

Beseda previdnosti

Modul kamere ima na plošči zelo majhen trak, ki dejansko kamero poveže z ostalo elektroniko. Ta majhen konektor pogosto moti iz vtičnice. Ko izstreli, raspistill poroča, da kamera ni povezana. Veliko časa sem brezplodno namestil na oba konca večjega trakovnega kabla, preden sem spoznal, kje je resnična težava.

Ko sem spoznal, da je problem v majhnem kablu na plošči, sem ga poskušal držati s Kaptonovim trakom, vendar to ni delovalo in končno sem se zatekel k vročemu lepilu. Doslej ga je lepilo držalo na mestu.

8. korak: Izbira mesta

Veliki teleskopi na svetu se nahajajo na gorskih vrhovih v Peruju, na Havajih ali na kakšni drugi relativno oddaljeni lokaciji. Za ta projekt je moj popoln seznam kandidatnih mest vključeval:

• Okenska polica v moji hiši obrnjena proti vzhodu
• Okenska polica, obrnjena proti zahodu v moji hiši
• Okno v moji hiši, obrnjeno proti jugu

Na tem seznamu manjkata predvsem Peru in Havaji. Kaj sem torej moral storiti glede na te izbire?

Okno, obrnjeno proti jugu, ima široko odprto prostranstvo brez ogledov stavb, vendar zaradi težave z vremenskim tesnilom ni optično jasno. Okno, obrnjeno proti zahodu, ponuja čudovit razgled na Pikes Peak in bi bilo čudovit razgled, vendar se nahaja v družinski sobi in moji ženi morda ne bi bilo všeč, da bi bil moj znanstveni projekt tako vidno prikazan celo leto. To mi je pustilo pogled proti vzhodu, ki gleda na velik antenski stolp in zadaj lokalno varnostno pot. Ni zelo lepo, vendar je bila to najboljša izbira.

Pravzaprav je najpomembnejše najti mesto, kjer se projekt ne bo premikal, premikal ali kako drugače motil. Dokler lahko sonce vsak dan ujamete v okvir dve uri, bo delovala katera koli smer.

9. korak: Fotografiranje

Oblačno nebo

Slučajno živim nekje, kjer vsako leto veliko sonca, kar je dobro, saj oblaki res pustošijo s slikami. Če je rahlo oblačno, se sonce prikaže kot bledo zelen disk in ne kot dobro definiran oranžni disk, ki ga dobim na dan brez oblakov. Če je precej oblačno, se na sliki ne prikaže nič.

Začel sem pisati nekaj programske opreme za obdelavo slik, ki bi pomagala ublažiti te težave, vendar ta koda še ni pripravljena. Do takrat se moram pač izogibati vremenskim pojavom.

Varnostno kopirajte svoje podatke

S kamero, ki jo uporabljam, in številom fotografij, ki jih posnamem, vsak dan ustvarim približno 70 MB slik. Tudi če bi bila kartica micro-SD na Pi dovolj velika, da lahko hrani enoletno količino podatkov, ji ne bi zaupala. Vsakih nekaj dni uporabljam scp za kopiranje nedavnih podatkov na namizje. Tam si ogledam slike, da se prepričam, da so v redu in da se ni zgodilo nič čudnega. Nato vse te datoteke kopiram v svoj NAS, tako da imam dve neodvisni kopiji podatkov. Po tem se vrnem na Pi in izbrišem izvirne datoteke.

10. korak: Analema (ali… astronomsko velika osmica)

Poleg določanja osnega nagiba in zemljepisne širine nam lahko vsakodnevno fotografiranje ob istem času omogoči tudi zelo kul pogled na pot Sonca v enem letu.

Če ste kdaj gledali film Cast Away with Tom Hanks, se morda spomnite prizora v jami, kjer je sčasoma označil sončno pot in dosegel osem. Ko sem prvič videl ta prizor, sem hotel izvedeti več o tem pojavu in komaj sedemnajst let pozneje sem se končno lotil tega!

Ta oblika se imenuje analema in je posledica nagiba Zemljine osi in dejstva, da je Zemljina orbita eliptična in ne popoln krog. Posneti enega na film je tako preprosto, kot da nastavite fotoaparat in fotografirate vsak dan ob istem času. Čeprav je na spletu veliko zelo dobrih slik analeme, bomo eno od stvari, ki jih bomo naredili v tem projektu, ustvarili sami. Za več informacij o analemi in o tem, kako je lahko osrednji del precej uporabnega almanaha, glejte ta članek.

Pred pojavom digitalne fotografije je bilo za snemanje slike analeme potrebno dejansko fotografsko znanje, saj bi morali skrbno posneti več osvetlitev na istem kosu filma. Očitno fotoaparat Raspberry Pi nima filma, zato bomo namesto spretnosti in potrpljenja preprosto združili več digitalnih slik, da bi dobili enak učinek.

11. korak: Kaj sledi?

Kaj je zdaj, ko je mali fotoaparat-robot na mestu in zvesto fotografira vsak dan? Kot kaže, je treba narediti še kar nekaj stvari. Upoštevajte, da bo večina teh vključevala pisanje pythona in uporabo OpenCV. Všeč mi je python in želel sem izgovor, da se naučim OpenCV, zato je to zame vseeno koristno!

1. Samodejno zaznavanje oblačnih dni Če je preveč oblačno, sončna folija in kratka hitrost zaklopa naredita nepregledno sliko. Sam želim samodejno zaznati to stanje in nato povečati hitrost zaklopa ali premakniti sončni filter.
2. Uporabite obdelavo slik za iskanje sonca tudi na oblačnih slikah Sumim, da je mogoče najti središče sonca, tudi če so oblaki na poti.
3. Sončne diske prekrijte s sliko jasnega ozadja, da oblikujete pot sončne poti čez dan
4. Ustvari analemo Enaka osnovna tehnika kot zadnji korak, vendar s slikami, posnetimi vsak dan ob istem času
5. Izmerite kotno ločljivost kamere (stopinje/slikovno piko) To bom potreboval za poznejše izračune

Obstaja še nekaj več, vendar me bo to nekaj časa zaposlilo.

Hvala, ker ste me vztrajali do konca. Upam, da vam je bil opis tega projekta všeč in da vas bo motiviral, da se lotite svojega naslednjega projekta!