Solarna opservatorija: 11 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Koliki je nagib Zemljine osi? Na kojoj sam geografskoj širini?

Ako želite odgovor brzo, obratite se Googleu ili GPS aplikaciji na svom pametnom telefonu. No, ako imate Raspberry Pi, modul kamere i otprilike godinu dana za neka zapažanja, sami možete utvrditi odgovore na ova pitanja. Postavljanjem kamere sa solarnim filterom na fiksno mjesto i korištenjem Pi za snimanje slika u isto vrijeme svaki dan, možete prikupiti mnogo podataka o sunčevom putu kroz nebo i, općenito, o Zemljinom putu oko sunce. U ovom Instructable -u pokazat ću vam kako sam napravio vlastitu solarnu opservatoriju za manje od 100 USD.

Prije nego što odemo puno dalje, trebao bih istaknuti da sam tek dva mjeseca u svom jednogodišnjem eksperimentu pa neću moći uključiti konačne rezultate. Međutim, mogu podijeliti svoje iskustvo u izgradnji ovog projekta i nadam se da ću vam dati ideju o tome kako izgraditi vlastiti.

Iako nije nimalo težak, ovaj projekt pruža priliku za vježbanje nekoliko različitih vještina. U najmanju ruku morate biti u mogućnosti spojiti Raspberry Pi na kameru i servo i morat ćete biti u mogućnosti napraviti određenu razinu razvoja softvera da biste izvukli podatke iz slika koje snimite. Također sam koristio osnovne alate za obradu drveta i 3D pisač, ali oni nisu presudni za ovaj projekt.

Također ću opisati dugotrajne napore prikupljanja podataka koje sam poduzeo i kako ću koristiti OpenCV za pretvaranje stotina slika u numeričke podatke koji se mogu analizirati pomoću proračunske tablice ili vašeg programskog jezika po izboru. Kao bonus, dotaknut ćemo se i naše umjetničke strane i pogledati neke zanimljive vizualne slike.

Korak 1: Tldr; Kratke upute

Ovaj Instructable je malo dugačak pa za početak, evo golih kostiju, bez dodatnih detalja.

1. Nabavite Raspberry Pi, kameru, servo, relej, solarni film, zidne bradavice i razni hardver
2. Priključite sav taj hardver
3. Konfigurirajte Pi i napišite neke jednostavne skripte za fotografiranje i spremanje rezultata
4. Napravite projektnu kutiju i u nju ugradite sav taj hardver
5. Pronađite mjesto za postavljanje projekta na kojem može vidjeti sunce i neće se sudariti ili gurnuti
6. Stavi to tamo
7. Počnite fotografirati
8. Svakih nekoliko dana premjestite slike na drugo računalo kako ne biste napunili SD karticu
9. Počnite učiti OpenCV kako biste mogli izvući podatke iz svojih slika
10. Čekaj godinu dana

To je projekt ukratko. Sada nastavite čitati za dodatne pojedinosti o ovim koracima.

Korak 2: Pozadina

Ljudi promatraju Sunce, Mjesec i zvijezde otkad smo mi tu, a ovaj projekt ne postiže ništa što naši preci nisu učinili prije tisuća godina. No, umjesto da stavimo štap u zemlju i kamenjem označimo lokacije sjena u ključnim trenucima, upotrijebit ćemo Raspberry Pi i kameru, a sve to iz udobnosti naših domova. Vaš projekt neće biti turističko mjesto za tisuću godina od sada, ali sa pozitivne strane, nećete se morati ni boriti oko postavljanja ogromnih stijena.

Opća ideja ovog projekta je usmjeriti kameru na fiksno mjesto na nebu i fotografirati svaki dan u isto vrijeme. Ako imate odgovarajući filter na fotoaparatu i odgovarajuću brzinu zatvarača, imat ćete jasne, dobro definirane slike sunčevog diska. Pomoću ovih slika možete staviti virtualni štap u zemlju i naučiti dosta zanimljivih stvari.

Kako bih držao veličinu ovog Instructablea upravljivim, sve što ću pokriti je kako odrediti nagib Zemljine osi i zemljopisnu širinu na kojoj su fotografije snimljene. Ako odjeljak s komentarima pokazuje dovoljno interesa, u sljedećem članku mogu govoriti o nekim drugim stvarima koje možete naučiti iz svoje solarne opservatorije.

Aksijalni nagibKut između Sunca na dan kada je najdalje sjeverno i dana kada je najjužnije isto je kao i nagib Zemljine osi. Možda ste u školi naučili da je to 23,5 stupnjeva, ali sada ćete to znati iz vlastitih zapažanja, a ne samo iz udžbenika.

Geografska širina Sada kada znamo nagib Zemljine osi, oduzmite to od visine sunčevog puta na najduži dan u godini kako biste saznali zemljopisnu širinu vašeg trenutnog položaja.

Zašto Bother? Očito biste ove vrijednosti mogli pronaći preciznije i brže, ali ako ste tip osobe koja čita Instructables, znate da postoji veliko zadovoljstvo ako to radite sami. Učenje činjenica o svijetu oko vas koristeći samo jednostavna, izravna opažanja i izravnu matematiku, cijeli je smisao ovog projekta.

Korak 3: Potrebne komponente

Iako biste cijeli ovaj projekt mogli izvesti primjereno skupom i otmjenom kamerom, ja nemam jedan od njih. Cilj ovog projekta bio je iskoristiti ono što sam već imao pri ruci iz prethodnih projekata. To je uključivalo Raspberry Pi, modul kamere i većinu ostalih niže navedenih stavki, iako sam morao otići na Amazon za nekoliko njih. Ukupni troškovi ako morate kupiti sve bit će oko 100 USD.

• Raspberry Pi (bilo koji model će odgovarati)
• Modul kamere Raspberry Pi
• Duži vrpčani kabel za kameru (opcionalno)
• Bežični dongle
• Standardni servo
• Relej 5V
• Napajano USB čvorište
• Razvodnik i produžni kabel
• List solarnog filma
• Staro drvo, plastika, HDPE itd
• Valovita projektna ploča

Također sam koristio svoj Monoprice 3D pisač, ali to je bila pogodnost, a ne nužnost. Malo vaše kreativnosti omogućit će vam da smislite prikladan način da se snađete i bez toga.

Korak 4: Konfiguriranje Raspberry Pi

Postaviti

Ovdje neću ulaziti u detalje i pretpostavit ću da vam je ugodno instalirati OS na Pi i konfigurirati ga. Ako ne, na webu postoji mnogo resursa koji će vam pomoći da započnete.

Evo najvažnijih stvari na koje treba obratiti pozornost tijekom postavljanja.

• Provjerite pokreće li se vaša WiFi veza automatski kada se Pi ponovno pokrene
• Omogući sshProjekt će vjerojatno biti instaliran na nesklonom mjestu pa ga nećete morati spojiti na monitor i tipkovnicu. Prilično ćete koristiti ssh & scp da ga konfigurirate i kopirate slike na drugo računalo.
• Omogućite automatsku prijavu putem ssh-a kako ne biste morali svaki put ručno unositi lozinku
• Omogući modul kamere Mnogi ljudi priključuju kameru, ali je zaboravljaju omogućiti
• Onemogućite GUI način rada, radit ćete bez glave pa nema potrebe trošiti sistemske resurse na pokretanje X poslužitelja
• Instalirajte gpio paket pomoću apt-get ili slično
• Postavite vremensku zonu na UTC Želite da vaše slike budu svaki dan u isto vrijeme, a ne želite da vas zimsko računanje vremena odbaci. Najjednostavnije je koristiti UTC.

Sada bi bilo dobro vrijeme za eksperimentiranje s modulom kamere. Za snimanje nekoliko slika upotrijebite program 'raspistill'. Također biste trebali eksperimentirati s opcijama naredbenog retka kako biste vidjeli kako se kontrolira brzina zatvarača.

Hardverska sučelja

Modul kamere ima svoje namjensko sučelje s vrpčanim kabelom, ali za kontrolu releja i servo -a koristimo GPIO pinove. Imajte na umu da postoje dvije različite sheme numeriranja koje se uobičajeno koriste i lako se zbuniti. Radije koristim opciju '-g' za naredbu gpio kako bih mogao koristiti službene PIN brojeve.

Vaš izbor pinova može se razlikovati ako imate drugačiji model Pi od onog koji koristim. Za referencu pogledajte dijagrame iscrtavanja za vaš model.

• Pin 23 - Digitalni izlaz na relejOvaj signal uključuje relej koji napaja servo
• Pin 18 - PWM prema servopoložaju Položaj serva kontrolira signal modulacije širine impulsa
• Uzemljenje - Bilo koji uzemljivač će biti dovoljan

Za upravljanje ovim pinovima pogledajte priložene skripte ljuske.

Napomena: Dijalog za prijenos na ovoj web stranici usprotivio se mojim pokušajima učitavanja datoteka koje su završile s '.sh'. Pa sam ih preimenovao s nastavkom '.notsh' i upload je dobro funkcionirao. Vjerojatno ćete ih prije upotrebe htjeti preimenovati u '.sh'.

crontab

Budući da želim slikati svakih pet minuta u razdoblju od oko 2,5 sata, koristio sam crontab, koji je pomoćni sustav za pokretanje zakazanih naredbi čak i kada niste prijavljeni. Sintaksa za to je pomalo nespretna, pa upotrijebite tražilicu po vašem izboru za više detalja. Priloženi su odgovarajući redovi s mog crontaba.

Ono što ti unosi čine je da a) slikate svakih pet minuta s postavljenim solarnim filterom i b) pričekate nekoliko sati i snimite nekoliko slika bez postavljenog filtera.

Korak 5: Projektna kutija

Stvarno ću uštedjeti upute u ovom odjeljku i prepustiti vas vlastitoj mašti. Razlog je taj što će svaka instalacija biti drugačija i ovisit će o tome gdje instalirate projekt i vrsti materijala s kojim radite.

Najvažniji aspekt projektne kutije je da je postavljena na način da se neće lako kretati. Fotoaparat se ne bi trebao pomaknuti nakon što počnete snimati fotografije. U protivnom ćete morati napisati softver za registraciju slike i digitalno poredati sve slike. Bolje je imati fiksnu platformu kako se ne biste morali nositi s tim problemom.

Za svoju projektnu kutiju koristio sam 1/2 "MDF, mali komad šperploče od 1/4", 3D ispisani okvir za držanje fotoaparata pod željenim kutom i neku bijelu valovitu projektnu ploču. Taj posljednji komad postavljen je ispred 3D ispisanog okvira kako bi ga zaštitio od izravnog sunčevog svjetla i izbjegao potencijalne probleme sa savijanjem.

Ostavio sam stražnju i gornju stranu kutije otvorene u slučaju da moram pristupiti elektronici, ali to se još nije dogodilo. Radi već sedam tjedana bez ikakvih popravaka ili dotjerivanja s moje strane.

Pokretni filter

Jedini dio projektne kutije koji zaslužuje objašnjenje je servo s pomičnom rukom.

Standardni modul kamere Raspberry Pi ne radi tako dobro ako ga samo usmjerite prema suncu i fotografirate. Vjerujte mi na ovo … Pokušao sam.

Da biste dobili upotrebljivu sliku sunca, morate postaviti solarni filter ispred objektiva. Vjerojatno postoje skupi unaprijed izrađeni filtri koje možete kupiti za to, ali sam ih napravio vlastitim rukama koristeći mali komad solarne folije i komad 1/4 HDPE-a s izrezanom kružnom rupom. Solarni film možete kupiti od Amazon za oko 12 USD. Retrospektivno, mogao sam naručiti mnogo manji komad i uštedjeti malo novca. Ako imate neke stare naočale za pomrčinu Sunca koje ležite oko nekorištene, možda ćete moći izrezati jednu od leća i napraviti odgovarajući filter.

Pokretanje filtra

Iako će većina slika koje snimite biti s postavljenim filterom, također ih želite snimati u drugim doba dana kada sunce nije u kadru. Ovo ćete koristiti kao pozadinske slike za prekrivanje svojih filtriranih slika sunca. Mogli ste ga izgraditi tako da ručno pomaknete filter i snimite ove pozadinske slike, ali ja sam imao dodatni servo i htio sam automatizirati taj korak.

Čemu služi relej?

Između načina na koji Pi generira PWM signale i niskokvalitetnog servo-a koji sam koristio, bilo je trenutaka kad bih sve uključio, a servo bi samo sjedio i "brbljao". Odnosno, kretao bi se naprijed -natrag vrlo malim koracima dok je pokušavao pronaći točan položaj kojim je Pi zapovijedao. Zbog toga se servo jako zagrijao i proizveo neugodnu buku. Stoga sam odlučio koristiti relej za napajanje servo -a samo tijekom dva puta dnevno u kojima želim snimati nefiltrirane slike. To je zahtijevalo upotrebu drugog digitalnog izlaznog pina na Pi za osiguranje upravljačkog signala releju.

Korak 6: Omogućavanje napajanja

U ovom projektu postoje četiri stavke koje trebaju snagu:

1. Malina Pi
2. Wi-Fi dongle (ako koristite noviji model Pi s ugrađenim wi-fi-jem, to neće biti potrebno)
3. 5V relej
4. Servo

Važno: Ne pokušavajte napajati servo izravno s 5V pina na Raspberry Pi. Servo crpi više struje nego što Pi može opskrbiti, a ploči ćete nanijeti nepopravljivu štetu. Umjesto toga, za napajanje servo i releja upotrijebite zaseban izvor napajanja.

Ono što sam učinio je da sam jednu zidnu bradavicu od 5 V napajao Pi, a drugu za napajanje starog USB čvorišta. Čvorište se koristi za priključivanje Wi-Fi ključa i za napajanje releja i serva. Servo i relej nemaju USB priključke pa sam uzeo stari USB kabel i odrezao konektor s kraja uređaja. Zatim sam skinuo žice 5V i uzemljenje te ih spojio na relej i servo. To je dalo izvor napajanja tim uređajima bez rizika od oštećenja Pi.

Napomena: Pi i vanjske komponente nisu potpuno neovisne. Budući da imate kontrolne signale koji dolaze iz Pi -a na relej i servo, morate imati i uzemljenje koje se vraća od tih stavki do Pi. Postoji i USB veza između čvorišta i Pi tako da wi-fi može raditi. Inženjer elektrotehnike vjerojatno bi se zgražao od potencijala za uzemljenje i drugih električnih nevolja, ali sve funkcionira pa se neću brinuti zbog nedostatka inženjerske izvrsnosti.:)

Korak 7: Sve spojite

Nakon što ste spojili sve dijelove, sljedeći je korak montiranje servo, okidača i kamere na montažnu ploču.

Na jednoj gornjoj slici možete vidjeti zatvarač u položaju (minus solarni film, koji još nisam zalijepio). Ruka zatvarača izrađena je od 1/4 HDPE -a i pričvršćena je pomoću jednog od standardnih čvorišta koja su isporučena sa servo pogonom.

Na drugoj slici možete vidjeti stražnju stranu montažne ploče i kako su servo i kamera pričvršćeni. Nakon što je ova slika snimljena, redizajnirao sam bijeli komad koji vidite kako biste približili objektiv fotoaparata ručici zatvarača, a zatim ga ponovno odštampali u zelenoj boji. Zato na drugim slikama bijeli dio nije prisutan.

Riječ opreza

Modul kamere ima vrlo mali trakasti kabel na ploči koji povezuje stvarnu kameru s ostatkom elektronike. Ovaj mali konektor ima neugodnu sklonost često iskakati iz utičnice. Kad iskoči, raspistill izvještava da kamera nije spojena. Proveo sam dosta vremena bezuspješno ponovno postavljajući oba kraja veće vrpce prije nego što sam shvatio gdje leži pravi problem.

Nakon što sam shvatio da je problem mali kabel na ploči, pokušao sam ga držati pritisnutom Kapton trakom, ali to nije uspjelo i na kraju sam pribjegao mrvici vrućeg ljepila. Do sada ga je ljepilo držalo na mjestu.

Korak 8: Odabir web mjesta

Veliki svjetski teleskopi nalaze se na vrhovima planina u Peruu, na Havajima ili na nekom drugom relativno udaljenom mjestu. Za ovaj projekt moj potpuni popis web stranica kandidata uključivao je:

• Prozorska daska okrenuta prema istoku u mojoj kući
• Prozorska daska okrenuta prema zapadu u mojoj kući
• Prozorska daska okrenuta prema jugu u mojoj kući

Na ovom popisu značajno nedostaju Peru i Havaji. S obzirom na ove izbore, što sam trebao učiniti?

Prozor okrenut prema jugu ima široko otvoreno prostranstvo bez zgrada u pogledu, ali zbog problema s vremenskim brtvama optički nije jasan. Prozor okrenut prema zapadu pruža prekrasan pogled na Pikes Peak i omogućio bi izvanredan pogled, ali nalazi se u obiteljskoj sobi i mojoj ženi se možda ne bi svidjelo da moj znanstveni projekt bude tako istaknut cijelu godinu. To mi je ostavilo pogled prema istoku koji gleda na veliki antenski toranj i stražnji dio lokalnog Safewaya. Nije baš lijepo, ali to je bio najbolji izbor.

Zaista, najvažnije je pronaći mjesto na kojem se projekt neće gurati, premještati ili na drugi način ometati. Sve dok možete unositi sunce u okvir dva sata svaki dan, bilo koji smjer će raditi.

Korak 9: Fotografiranje

Oblačno nebo

Slučajno živim negdje gdje svake godine obasja puno sunca, što je dobro jer oblaci zaista uništavaju slike. Ako je malo oblačno, sunce izlazi kao blijedozeleni disk umjesto dobro definiranog narančastog diska koji dobijem na dan bez oblaka. Ako je prilično oblačno, ništa se ne prikazuje na slici.

Počeo sam pisati neki softver za obradu slika kako bih ublažio ove probleme, ali taj kod još nije spreman. Do tada moram samo zaobići hirove vremena.

Sigurnosno kopirajte svoje podatke

S kamerom koju koristim i brojem slika koje napravim, generiram oko 70 MB slika svaki dan. Čak i da je micro-SD kartica na Pi-u dovoljno velika da može pohraniti podatke vrijedne godinu dana, ne bih joj vjerovao. Svakih nekoliko dana koristim scp za kopiranje nedavnih podataka na radnu površinu. Tamo pregledavam slike kako bih se uvjerio da su dobro i da se nije dogodilo ništa čudno. Zatim kopiram sve te datoteke na svoj NAS tako da imam dvije neovisne kopije podataka. Nakon toga vraćam se na Pi i brišem izvorne datoteke.

Korak 10: Analema (ili… astronomski velika osmica)

Osim određivanja aksijalnog nagiba i geografske širine, fotografiranje u isto vrijeme svaki dan može nam pružiti i vrlo hladan pogled na putanju Sunca tijekom godine.

Ako ste ikada gledali film Cast Away with Tom Hanks, možda ćete se sjetiti prizora u špilji gdje je s vremenom označio sunčevu putanju, pa je postala osma. Kad sam prvi put vidio tu scenu, želio sam saznati više o tom fenomenu, a samo sedamnaest godina kasnije napokon sam krenuo raditi upravo to!

Ovaj oblik naziva se analema i rezultat je nagiba Zemljine osi i činjenice da je Zemljina orbita eliptična, a ne savršeni krug. Snimanje jednog na filmu jednostavno je kao postavljanje fotoaparata i snimanje fotografije u isto vrijeme svaki dan. Iako na webu postoji mnogo vrlo dobrih slika analeme, jedna od stvari koje ćemo učiniti u ovom projektu je stvoriti vlastitu. Za mnogo više o analemi i tome kako netko može biti središte prilično korisnog almanaha, pogledajte ovaj članak.

Prije pojave digitalne fotografije, snimanje slike analeme zahtijevalo je stvarne fotografske vještine jer biste morali pažljivo snimiti više ekspozicija na istom komadu filma. Očigledno da Raspberry Pi kamera nema film pa ćemo umjesto vještine i strpljenja jednostavno kombinirati više digitalnih slika kako bismo dobili isti učinak.

Korak 11: Što je sljedeće?

Sada kada je mali fotoaparat-robot na mjestu i vjerno fotografira svaki dan, što je sljedeće? Kako se pokazalo, ima još dosta stvari za napraviti. Imajte na umu da će većina njih uključivati pisanje pythona i korištenje OpenCV -a. Sviđa mi se python i želio sam izgovor za učenje OpenCV-a, tako da je to za mene win-win!

1. Automatski otkrijte oblačne dane Ako je previše oblačno, solarni film i kratka brzina zatvarača stvaraju neprozirnu sliku. Želim automatski otkriti to stanje, a zatim ili povećati brzinu zatvarača ili pomaknuti solarni filter s puta.
2. Koristite obradu slika za pronalaženje sunca čak i na oblačnim slikama Sumnjam da je moguće pronaći središnju točku sunca čak i ako vam oblaci smetaju.
3. Prekrijte solarne diskove na jasnoj pozadinskoj slici kako biste oblikovali putanju sunčevog puta tijekom dana
4. Napravite analemu Ista osnovna tehnika kao posljednji korak, ali koristeći slike snimljene svaki dan u isto vrijeme
5. Izmjerite kutnu rezoluciju fotoaparata (stupnjevi/piksel) Ovo će mi trebati za kasnije izračune

Ima i više od ovoga, ali to će me neko vrijeme zauzeti.

Hvala što ste se držali do kraja. Nadam se da vam se svidio opis ovog projekta i da vas motivira da se uhvatite u koštac sa svojim sljedećim projektom!