Slnečné observatórium: 11 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Aký je sklon zemskej osi? Na akej zemepisnej šírke sa nachádzam?

Ak chcete rýchlo odpoveď, buď sa vo svojom smartfóne obrátite na Google alebo aplikáciu GPS. Ak však máte Raspberry Pi, kamerový modul a zhruba rok na to, aby ste urobili nejaké pozorovania, môžete si odpovedať na tieto otázky sami. Nastavením kamery so solárnym filtrom na pevné miesto a použitím zariadenia Pi na fotografovanie každý deň v rovnakom čase môžete zhromaždiť veľa údajov o ceste Slnka po oblohe a v širšom zmysle aj o ceste Zeme okolo slnko. V tomto návode vám ukážem, ako som si vyrobil vlastné slnečné observatórium za menej ako 100 dolárov.

Predtým, ako pôjdeme oveľa ďalej, by som však mal zdôrazniť, že na svoj celoročný experiment mám len dva mesiace, takže nebudem môcť zahrnúť konečné výsledky. Môžem sa však podeliť o svoje skúsenosti s budovaním tohto projektu a dúfam, že vám poskytnem predstavu o tom, ako si postaviť svoj vlastný.

Aj keď to nie je vôbec ťažké, tento projekt poskytuje príležitosť precvičiť si niekoľko rôznych zručností. Minimálne musíte byť schopní pripojiť Raspberry Pi k fotoaparátu a servu a budete musieť zvládnuť určitý stupeň vývoja softvéru na extrahovanie údajov z nasnímaných fotografií. Použil som aj základné nástroje na spracovanie dreva a 3D tlačiareň, ale nie sú pre tento projekt kľúčové.

Popíšem tiež dlhodobé úsilie o zhromažďovanie údajov, ktoré som vynaložil, a ako použijem OpenCV na premenu stoviek obrázkov na číselné údaje, ktoré je možné analyzovať pomocou tabuľky alebo zvoleného programovacieho jazyka. Ako bonus sa pozrieme aj na našu umeleckú stránku a pozrieme sa na niekoľko zaujímavých vizuálnych obrazov.

Krok 1: Tldr; Krátke inštrukcie

Tento návod je trochu na dlhšej strane, takže na začiatok sú tu holé kosti, žiadne ďalšie podrobné pokyny.

1. Kúpte si Raspberry Pi, fotoaparát, servo, relé, solárny film, nástenné bradavice a rôzny hardvér
2. Pripojte všetok hardvér
3. Nakonfigurujte Pi a napíšte niekoľko jednoduchých skriptov na fotografovanie a ukladanie výsledkov
4. Postavte krabicu projektu a namontujte do nej všetok hardvér
5. Nájdite miesto, kde bude projekt umiestnený tak, aby mohol vidieť slnko a aby naň nikto nenarazil ani ho nepohlo
6. Daj to tam
7. Začnite fotografovať
8. Každých pár dní presuňte obrázky na iný počítač, aby ste nevyplnili kartu SD
9. Začnite sa učiť OpenCV, aby ste mohli zo svojich obrázkov extrahovať údaje
10. Počkaj rok

To je v skratke projekt. Teraz pokračujte v čítaní, kde nájdete ďalšie podrobnosti o týchto krokoch.

Krok 2: Pozadie

Ľudia sledujú slnko, mesiac a hviezdy tak dlho, ako sme okolo, a tento projekt nedosahuje nič, čo naši predkovia nerobili pred tisíckami rokov. Ale namiesto toho, aby sme v kľúčových časoch položili palicu do zeme a pomocou kameňov označili umiestnenie tieňov, použijeme Raspberry Pi a fotoaparát a všetko zvládneme z pohodlia domova. Váš projekt nebude o tisíc rokov turistickou lokalitou, ale pozitívom je, že ani vy nebudete musieť bojovať s tým, aby ste na svoje miesto dostali obrovské balvany.

Všeobecnou myšlienkou tohto projektu je nasmerovať fotoaparát na pevné miesto na oblohe a fotografovať každý deň v rovnakom čase. Ak máte vo fotoaparáte vhodný filter a správnu rýchlosť uzávierky, budete mať ostré a dobre definované obrázky slnečného disku. Pomocou týchto obrázkov môžete dať virtuálnu palicu do zeme a naučiť sa pár zaujímavých vecí.

Aby bola veľkosť tohto Instructable zvládnuteľná, budem sa venovať iba tomu, ako určiť náklon zemskej osi a zemepisnú šírku, kde sú obrázky nasnímané. Ak sekcia komentárov naznačuje dostatočný záujem, môžem v nasledujúcom článku hovoriť o niektorých ďalších veciach, ktoré sa môžete dozvedieť z vašej slnečnej observatória.

Axiálny náklonUhol medzi slnkom v deň, keď je najvzdialenejší na sever, a v deň, keď je najďalej na juh, je rovnaký ako sklon zemskej osi. Možno ste sa v škole naučili, že je 23,5 stupňa, ale teraz to budete vedieť z vlastných pozorovaní a nielen z učebnice.

Teraz, keď poznáme sklon zemskej osi, odčítajte to od nadmorskej výšky slnečnej dráhy v najdlhší deň v roku, aby ste zistili zemepisnú šírku vašej aktuálnej polohy.

Prečo sa obťažujete? Očividne by ste tieto hodnoty mohli nájsť oveľa presnejšie a rýchlejšie, ale ak ste typ človeka, ktorý číta Instructables, viete, že je veľmi spokojné, keď to robíte sami. Cieľom tohto projektu je dozvedieť sa fakty o svete okolo vás pomocou jednoduchých, priamych pozorovaní a priamej matematiky.

Krok 3: Požadované komponenty

Aj keď by ste celý tento projekt mohli urobiť s primerane drahým a efektným fotoaparátom, ja taký nemám. Cieľom tohto projektu bolo využiť to, čo som už mal k dispozícii z predchádzajúcich projektov. Zahŕňalo to Raspberry Pi, kamerový modul a väčšinu ďalších položiek uvedených nižšie, aj keď som pre niektoré z nich musel ísť do Amazonu. Celkové náklady, ak budete musieť kúpiť všetko, budú okolo 100 USD.

• Raspberry Pi (postačí akýkoľvek model)
• Modul kamery Raspberry Pi
• Dlhší plochý kábel pre fotoaparát (voliteľné)
• Bezdrôtový dongle
• Štandardné servo
• Relé 5V
• Napájaný rozbočovač USB
• Napájací kábel a predlžovací kábel
• List slnečného filmu
• Šrotové drevo, plast, HDPE atď
• Vlnitá projektová doska

Tiež som použil svoju 3D tlačiareň Monoprice, ale bolo to praktické, a nie nevyhnutné. Trocha kreativity z vašej strany vám umožní prísť na vhodný spôsob, ako sa bez toho zaobísť.

Krok 4: Konfigurácia Raspberry Pi

Nastaviť

Nejdem tu veľmi podrobne a budem predpokladať, že vám vyhovuje inštalácia OS na Pi a jeho konfigurácia. Ak nie, na webe je veľa zdrojov, ktoré vám pomôžu začať.

Tu sú najdôležitejšie veci, ktorým by ste pri inštalácii mali venovať pozornosť.

• Uistite sa, že sa vaše WiFi pripojenie automaticky spustí, keď sa Pi reštartuje
• Povoliť sshProjekt bude pravdepodobne nainštalovaný mimo cesty, aby ste ho nemohli pripojiť k monitoru a klávesnici. Ssh & scp budete dosť používať na jeho konfiguráciu a kopírovanie obrázkov na iný počítač.
• Nezabudnite povoliť automatické prihlásenie prostredníctvom ssh, aby ste nemuseli zakaždým zadávať heslo ručne
• Povoliť modul kamery Mnoho ľudí zapojí kameru, ale zabudne ju povoliť
• Zakázať režim GUI Budete bežať bez hlavy, takže nie je potrebné míňať systémové prostriedky na prevádzku servera X
• Nainštalujte balík gpio pomocou apt-get alebo podobného
• Nastavte časové pásmo na UTC Chcete, aby vaše obrázky boli každý deň v rovnakom čase, a nechcete, aby vás rozhodil letný čas. Najľahšie je použiť UTC.

Teraz by bolo vhodné experimentovať s kamerovým modulom. Pomocou programu „raspistill“urobte niekoľko fotografií. Mali by ste tiež experimentovať s možnosťami príkazového riadka, aby ste zistili, ako sa ovláda rýchlosť uzávierky.

Hardvérové rozhrania

Modul kamery má vlastné vyhradené rozhranie plochého kábla, ale na ovládanie relé a serva používame kolíky GPIO. Všimnite si toho, že sú bežne používané dve rôzne schémy číslovania a je ľahké sa nechať zmiasť. Uprednostňujem možnosť '-g' pred príkazom gpio, aby som mohol použiť oficiálne čísla pinov.

Váš výber kolíkov sa môže líšiť, ak máte iný model Pi, než aký používam. Referenčné informácie nájdete v diagramoch vývodov pre váš konkrétny model.

• Kolík 23 - Digitálny výstup na relé Tento signál zapne relé, ktoré napája servo
• Pin 18 - PWM k servuPoloha serva je riadená signálom modulácie šírky impulzov
• Uzemnenie - Postačí akýkoľvek uzemňovací kolík

Ovládanie týchto pinov nájdete v priložených skriptoch shell.

Poznámka: Dialógové okno nahrávania na tomto webe nesúhlasilo s mojimi pokusmi o nahranie súborov, ktoré končili príponou „.sh“. Premenoval som ich teda na príponu „.notsh“a nahrávanie fungovalo dobre. Pred použitím ich budete pravdepodobne chcieť premenovať späť na „.sh“.

crontab

Pretože chcem fotografovať každých päť minút v trvaní asi 2,5 hodiny, použil som crontab, čo je systémový nástroj na spúšťanie naplánovaných príkazov, aj keď nie ste prihlásení. Syntax je trochu neohrabaná, preto použite vyhľadávací nástroj podľa vášho výberu, aby ste získali viac podrobností. Príslušné riadky z môjho crontabu sú priložené.

Tieto položky urobia a) a) odfotografujte každých päť minút so nasadeným solárnym filtrom a b) počkajte niekoľko hodín a urobte niekoľko fotografií bez nasadeného filtra.

Krok 5: Rámček projektu

Pokúsim sa skutočne ušetriť na pokyny v tejto časti a ponechám vás na vašu vlastnú predstavivosť. Dôvodom je, že každá inštalácia bude iná a bude závisieť od toho, kde projekt inštalujete a od typov materiálu, s ktorým pracujete.

Najdôležitejším aspektom schránky projektu je, že je umiestnená tak, aby sa ľahko nepohybovala. Hneď ako začnete fotografovať, fotoaparát by sa nemal pohnúť. V opačnom prípade budete musieť napísať softvér na vykonanie registrácie obrázka a digitálne zoradenie všetkých obrázkov. Je lepšie mať pevnú platformu, aby ste sa s týmto problémom nemuseli zaoberať.

Na projektovú škatuľu som použil 1/2 "MDF, malý kúsok preglejky 1/4", 3D vytlačený rám, aby držal fotoaparát v požadovanom uhle a bielu vlnitú projektovú dosku. Tento posledný kus je umiestnený pred rám s 3D tlačou, aby bol chránený pred priamym slnečným žiarením a aby sa predišlo možným problémom s deformáciou.

Nechal som zadnú a hornú časť škatule otvorenú pre prípad, že by som sa potreboval dostať k elektronike, ale to sa ešte nestalo. Funguje to už sedem týždňov bez toho, aby som potreboval akékoľvek opravy alebo vylepšenia z mojej strany.

Pohyblivý filter

Jediná časť krabice projektu, ktorá si zaslúži vysvetlenie, je servo s pohyblivým ramenom.

Štandardný kamerový modul Raspberry Pi nepracuje tak dobre, ak ho namierite na slnko a urobíte fotografiu. Ver mi v tomto … Skúsil som.

Ak chcete získať použiteľný obraz slnka, musíte pred objektív umiestniť slnečný filter. Pravdepodobne sú k dispozícii drahé vopred pripravené filtre, ale ja som si ich vyrobil pomocou malého kúska slnečnej fólie a kúska 1/4 HDPE s vyrezaným kruhovým otvorom. Solárny film je možné zakúpiť na Amazon za približne 12 dolárov. Spätne som si mohol objednať oveľa menší kus a ušetriť trochu peňazí. Ak máte staré nepoužité okuliare na zatmenie Slnka, možno by ste mohli jeden z objektívov odrezať a vytvoriť vhodný filter.

Pohyb filtra

Aj keď väčšina fotografií, ktoré urobíte, bude s nasadeným filtrom, chcete ich získať aj v iných častiach dňa, keď je slnko mimo záberu. Práve tie použijete ako pozadie na prekrytie filtrovaných slnečných fotografií. Môžete to zostaviť tak, že ručne presuniete filter a urobíte tieto obrázky na pozadí, ale mal som k dispozícii ďalšie servo a chcel som tento krok zautomatizovať.

Na čo slúži relé?

Medzi spôsobom, akým Pi generuje signály PWM, a servom low-end, ktoré som použil, boli časy, keď som všetko zapol a servo tam len sedelo a „klábosilo“. To znamená, že by sa pohyboval tam a späť vo veľmi malých krokoch, keď sa pokúšal nájsť presnú polohu, ktorej Pi velil. To spôsobilo, že sa servopohon veľmi zahrial a vydal nepríjemný zvuk. Preto som sa rozhodol použiť relé na napájanie serva iba dvakrát denne, keď chcem fotografovať nefiltrované obrázky. To vyžadovalo použitie ďalšieho digitálneho výstupného kolíka na Pi na poskytnutie riadiaceho signálu relé.

Krok 6: Poskytovanie energie

V tomto projekte sú potrebné štyri zdroje napájania:

1. Malinový koláč
2. Wi-Fi dongle (Ak používate neskorší model Pi so vstavaným wi-fi, nebude to potrebné)
3. 5V relé
4. Servo

Dôležité: Nepokúšajte sa napájať servo priamo z 5V kolíka na Raspberry Pi. Servo čerpá viac prúdu, ako dokáže Pi dodať, a doske spôsobíte nenapraviteľné škody. Namiesto toho použite samostatný zdroj energie na napájanie serva a relé.

Čo som urobil, bolo použiť jednu 5V nástennú bradavicu na napájanie Pi a druhú na napájanie starého rozbočovača USB. Rozbočovač slúži na zapojenie Wi-Fi donglu a na napájanie relé a serva. Servo a relé nemajú konektory USB, a tak som vzal starý kábel USB a odrezal konektor z konca zariadenia. Potom som odizoloval 5V a uzemňovacie vodiče a pripojil ich k relé a servu. To poskytovalo zdrojom energie pre tieto zariadenia bez rizika poškodenia Pi.

Poznámka: Pi a externé komponenty nie sú úplne nezávislé. Pretože máte riadiace signály prichádzajúce z Pi do relé a serva, musíte mať aj pozemnú čiaru, ktorá sa vracia z týchto položiek do Pi. Medzi rozbočovačom a počítačom Pi je aj pripojenie USB, aby mohlo fungovať Wi-Fi. Elektrotechnik by sa asi zachvel nad potenciálom zemných slučiek a iných elektrických šibalstiev, ale všetko funguje, takže sa nebudem obávať nedostatku technickej dokonalosti.:)

Krok 7: Dajte to všetko dohromady

Keď máte všetky diely zapojené, ďalším krokom je namontovanie serva, ramena spúšte a kamery na montážnu dosku.

Na jednom obrázku vyššie vidíte rameno spúšte v polohe (mínus solárny film, na ktorý som ešte nelepil). Rameno spúšte je vyrobené z 1/4 HDPE a je pripevnené pomocou jedného zo štandardných nábojov, ktoré sa dodávajú so servom.

Na druhom obrázku môžete vidieť zadnú stranu montážnej dosky a spôsob upevnenia serva a kamery. Po nasnímaní tohto obrázku som prepracoval biely kúsok, ktorý vidíte, aby sa objektív fotoaparátu dostal bližšie k ramenu spúšte, a potom ho znova vytlačil na zeleno. Preto na iných obrázkoch nie je biela časť prítomná.

Slovo opatrnosti

Modul kamery má na doske veľmi malý malý plochý kábel, ktorý spája skutočnú kameru so zvyškom elektroniky. Tento malý konektor má nepríjemnú tendenciu často vyskakovať zo zásuvky. Keď vyskočí, raspistill hlási, že kamera nie je pripojená. Strávil som veľa času neplodným opätovným usadzovaním oboch koncov väčšieho plochého kábla, než som si uvedomil, kde je skutočný problém.

Potom, čo som si uvedomil, že problémom je malý kábel na doske, pokúsil som sa ho držať páskou Kapton, ale nefungovalo to, a nakoniec som sa uchýlil k kvapke horúceho lepidla. Lepidlo ho zatiaľ držalo na svojom mieste.

Krok 8: Výber stránok

Skvelé teleskopy sveta sa nachádzajú na vrcholkoch hôr v Peru, na Havaji alebo na inom relatívne vzdialenom mieste. V prípade tohto projektu môj úplný zoznam kandidátskych stránok zahŕňal:

• Parapet okna orientovaný na východ v mojom dome
• Západný parapet v mojom dome
• Parapet okna orientovaný na juh v mojom dome

V tomto zozname chýbajú predovšetkým Peru a Havaj. Čo som teda mal vzhľadom na tieto možnosti urobiť?

Okno orientované na juh má široko otvorenú plochu bez výhľadov na budovy, ale kvôli problému s tesnením proti poveternostným vplyvom nie je opticky jasný. Okno orientované na západ ponúka nádherný výhľad na štít Pikes Peak a bolo by z neho nádherný výhľad, ale nachádza sa v rodinnej izbe a mojej manželke by sa nepáčilo, keby bol môj vedecký projekt tak nápadne zobrazený celý rok. Zostal mi tak výhľad na východ, ktorý sa pozerá na veľkú anténnu vežu a zadnú časť miestnej Safeway. Nie veľmi pekné, ale bola to najlepšia voľba.

Skutočne, najdôležitejšie je nájsť miesto, kde sa s projektom nebude šliapať, presúvať alebo inak rušiť. Pokiaľ dokážete dostať slnko do rámca na hodinu dve každý deň, bude fungovať akýkoľvek smer.

Krok 9: Fotografovanie

Oblačno

Žijem niekde, kde je každý rok veľa slnečného svitu, čo je dobré, pretože mraky s obrázkami skutočne spôsobujú zmätok. Ak je mierne zamračené, slnko vyjde ako svetlo zelený disk, a nie ako dobre definovaný oranžový disk, ktorý dostávam v bezoblačný deň. Ak je dosť zamračené, na obrázku sa nič nezobrazuje.

Začal som písať nejaký softvér na spracovanie obrázkov, ktorý mi pomôže tieto problémy zmierniť, ale tento kód ešte nie je pripravený. Do tej doby sa musím len popasovať s rozmary počasia.

Zálohujte svoje údaje

S fotoaparátom, ktorý používam, a počtom fotografií, ktoré urobím, vygenerujem asi 70 MB snímok každý deň. Aj keby bola karta micro-SD na Pi dostatočne veľká na to, aby pojala údaje za rok, neveril by som tomu. Každých pár dní používam scp na kopírovanie najnovších údajov na svoju pracovnú plochu. Tam si prezerám obrázky, aby som sa ubezpečil, že sú v poriadku a že sa nič zvláštne nestalo. Potom skopírujem všetky tieto súbory na môj NAS, aby som mal dve nezávislé kópie údajov. Potom sa vrátim späť k Pi a vymažem pôvodné súbory.

Krok 10: Analema (alebo … astronomicky veľká osmička)

Okrem určovania osového náklonu a šírky nám fotografovanie každý deň v rovnakom čase môže poskytnúť aj veľmi pekný pohľad na cestu Slnka v priebehu roka.

Ak ste niekedy videli film Odvrhni sa s Tomom Hanksom, možno si spomeniete na scénu v jaskyni, kde časom vyznačil dráhu slnka a bola z toho osmička. Keď som túto scénu prvýkrát videl, chcel som sa o tomto fenoméne dozvedieť viac a o sedemnásť rokov neskôr som sa konečne dostal k tomu, že to robím!

Tento tvar sa nazýva analema a je výsledkom naklonenia zemskej osi a skutočnosti, že obežná dráha Zeme je eliptická a nie je dokonalým kruhom. Zachytenie jedného na film je také jednoduché, ako nastaviť fotoaparát a fotografovať každý deň v rovnakom čase. Aj keď je na webe veľa veľmi dobrých fotografií analógov, jednou z vecí, ktoré v tomto projekte urobíme, je vytvoriť si vlastné. V tomto článku sa dozviete oveľa viac o analémii a o tom, ako môže byť stredobodom celkom užitočného almanachu.

Pred príchodom digitálnej fotografie vyžadovalo zachytenie obrázku anémie skutočné fotografické schopnosti, pretože by ste museli opatrne urobiť viacnásobnú expozíciu rovnakého kusu filmu. Fotoaparát Raspberry Pi zjavne nemá film, takže namiesto zručnosti a trpezlivosti jednoducho spojíme viacero digitálnych obrázkov, aby sme dosiahli rovnaký efekt.

Krok 11: Čo bude ďalej?

Teraz, keď je malý kamerový robot na svojom mieste a verne fotografuje každý deň, čo ďalej? Ako sa ukazuje, stále je veľa vecí, ktoré je potrebné urobiť. Všimnite si toho, že väčšina z nich bude zahŕňať písanie pythonu a používanie OpenCV. Mám rád python a chcel som sa ospravedlniť, aby som sa naučil OpenCV, takže je to pre mňa výhodné!

1. Automaticky detekovať zamračené dni Ak je príliš zamračené, slnečný film a krátka rýchlosť uzávierky vytvoria nepriehľadný obraz. Chcem automaticky zistiť tento stav a potom buď zvýšiť rýchlosť uzávierky, alebo presunúť slnečný filter z cesty.
2. Použite spracovanie obrazu na nájdenie slnka aj pri zamračených obrázkoch. Mám podozrenie, že je možné nájsť stredový bod slnka, aj keď sú v ceste mraky.
3. Prekrývajte slnečné disky na jasnom pozadí, aby ste vytvorili dráhu slnečného žiarenia počas dňa
4. Vytvorte analému
5. Zmerajte uhlové rozlíšenie kamery (stupne/pixel), ktoré budem potrebovať pre svoje neskoršie výpočty

Je toho viac, ale to ma na chvíľu zamestná.

Ďakujem, že ste so mnou vydržali až do konca. Dúfam, že sa vám tento popis projektu páčil a že vás motivuje pustiť sa do ďalšieho vlastného projektu!