Sluneční observatoř: 11 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Jaký je sklon zemské osy? Na jaké zeměpisné šířce jsem?

Pokud chcete odpověď rychle, buď se ve svém smartphonu obrátíte na Google nebo na aplikaci GPS. Pokud ale máte Raspberry Pi, kamerový modul a zhruba rok na nějaké pozorování, můžete si na tyto otázky určit odpovědi sami. Nastavením kamery se solárním filtrem na pevném místě a použitím Pi k pořizování snímků každý den ve stejnou dobu můžete shromáždit mnoho údajů o dráze slunce po obloze a potažmo o dráze Země kolem slunce. V tomto Instructable vám ukážu, jak jsem vytvořil vlastní sluneční observatoř za méně než 100 dolarů.

Než však půjdeme mnohem dále, měl bych poznamenat, že jsem jen dva měsíce na svůj celoroční experiment, takže nebudu moci zahrnout konečné výsledky. Mohu se však podělit o své zkušenosti s budováním tohoto projektu a doufejme, že vám poskytnou představu o tom, jak si postavit vlastní.

I když to není vůbec těžké, tento projekt poskytuje příležitost procvičit několik různých dovedností. Minimálně musíte být schopni připojit Raspberry Pi k fotoaparátu a servu a budete muset zvládnout určitou úroveň vývoje softwaru k extrahování dat z pořízených snímků. Také jsem použil základní nástroje pro zpracování dřeva a 3D tiskárnu, ale ty nejsou pro tento projekt klíčové.

Popíšu také dlouhodobé úsilí o shromažďování údajů, které jsem vyvinul, a jak použiji OpenCV k přeměně stovek obrázků na číselná data, která lze analyzovat pomocí tabulky nebo zvoleného programovacího jazyka. Jako bonus se také podíváme na naši uměleckou stránku a podíváme se na některé zajímavé vizuální obrázky.

Krok 1: Tldr; Krátké pokyny

Tento Instructable je trochu na dlouhé straně, takže pro začátek jsou zde holé kosti, žádné další podrobné pokyny.

1. Získejte Raspberry Pi, fotoaparát, servo, relé, solární film, bradavice a nejrůznější hardware
2. Zapojte veškerý hardware
3. Nakonfigurujte Pi a napište několik jednoduchých skriptů pro fotografování a ukládání výsledků
4. Sestavte krabici projektu a připojte do ní veškerý hardware
5. Najděte místo, kde projekt umístíte tak, aby viděl na slunce a aby na něj nikdo nenarazil nebo ho nepotlačil
6. Dej to sem
7. Začněte fotografovat
8. Každých několik dní přesuňte obrázky na jiný počítač, abyste nevyplnili kartu SD
9. Začněte se učit OpenCV, abyste mohli extrahovat data ze svých obrázků
10. Počkej rok

To je v kostce projekt. Nyní pokračujte ve čtení pro další podrobnosti o těchto krocích.

Krok 2: Pozadí

Lidé sledují slunce, měsíc a hvězdy tak dlouho, jak jsme kolem, a tento projekt nedosahuje ničeho, co naši předkové před tisíci lety nedělali. Ale místo toho, abychom v klíčových dobách umístili klacek do země a pomocí kamenů označili umístění stínů, použijeme Raspberry Pi a kameru a vše zvládneme z pohodlí našich domovů. Váš projekt nebude za tisíc let turistickým místem, ale na druhou stranu nebudete muset bojovat ani s tím, abyste na místo dostali obrovské balvany.

Obecnou myšlenkou tohoto projektu je namířit fotoaparát na pevné místo na obloze a pořizovat snímky každý den ve stejnou dobu. Pokud máte na fotoaparátu vhodný filtr a správnou rychlost závěrky, budete mít ostré a dobře definované snímky slunečního disku. Pomocí těchto obrázků můžete dát virtuální hůl do země a dozvědět se spoustu zajímavých věcí.

Aby byla velikost tohoto Instructable zvládnutelná, budu se zabývat pouze tím, jak určit náklon zemské osy a zeměpisnou šířku, kde jsou snímky pořízeny. Pokud část komentářů naznačuje dostatečný zájem, mohu v dalším článku hovořit o některých dalších věcech, které se můžete dozvědět ze své sluneční observatoře.

Axiální náklon Úhel mezi sluncem v den, kdy je nejvzdálenější na sever, a v den, kdy je nejvzdálenější na jih, je stejný jako náklon zemské osy. Možná jste se ve škole naučili, že je to 23,5 stupně, ale teď to budete vědět z vlastních pozorování a ne jednoduše z učebnice.

Zeměpisná šířka Nyní, když známe sklon zemské osy, odečtěte jej od výšky sluneční dráhy v nejdelším dni v roce, abyste zjistili zeměpisnou šířku vaší aktuální polohy.

Proč obtěžovat? Očividně byste mohli tyto hodnoty najít mnohem přesněji a rychleji, ale pokud jste typ člověka, který čte Instructables, víte, že je velká spokojenost, když to uděláte sami. Cílem tohoto projektu je naučit se fakta o světě kolem vás pomocí jednoduchých, přímých pozorování a přímé matematiky.

Krok 3: Požadované součásti

I když byste celý tento projekt mohli udělat s vhodně drahým a efektním fotoaparátem, žádný takový nemám. Cílem tohoto projektu bylo využít toho, co jsem již měl po ruce z předchozích projektů. To zahrnovalo Raspberry Pi, kamerový modul a většinu dalších položek uvedených níže, i když jsem musel jít na Amazon pro některé z nich. Celkové náklady, pokud budete muset koupit vše, budou kolem 100 USD.

• Raspberry Pi (jakýkoli model to udělá)
• Modul kamery Raspberry Pi
• Delší plochý kabel pro kameru (volitelně)
• Bezdrátový dongle
• Standardní servo
• 5V relé
• Napájený rozbočovač USB
• Napájecí lišta a prodlužovací kabel
• List solárního filmu
• Šrotové dřevo, plast, HDPE atd
• Vlnitá projektová deska

Také jsem použil svou 3D tiskárnu Monoprice, ale to bylo pohodlí a ne nutnost. Trocha kreativity z vaší strany vám umožní vymyslet vhodný způsob, jak se bez toho obejít.

Krok 4: Konfigurace Raspberry Pi

Založit

Nebudu se zde příliš rozepisovat a budu předpokládat, že vám vyhovuje instalace OS na Pi a jeho konfigurace. Pokud ne, na webu je spousta zdrojů, které vám pomohou začít.

Zde jsou nejdůležitější věci, kterým byste měli během instalace věnovat pozornost.

• Ujistěte se, že se vaše WiFi připojení automaticky spustí po restartu Pi
• Povolit ssh Projekt bude pravděpodobně nainstalován na nepřehledném místě, takže jej nebudete muset připojit k monitoru a klávesnici. K jeho konfiguraci a kopírování obrázků na jiný počítač budete dost používat ssh & scp.
• Nezapomeňte povolit automatické přihlášení pomocí ssh, abyste nemuseli pokaždé zadávat heslo ručně
• Povolit modul kamery Mnoho lidí kameru zapojuje, ale zapomíná ji povolit
• Zakázat režim GUI Budete běžet bez hlavy, takže není třeba utrácet systémové prostředky spuštěním X serveru
• Nainstalujte balíček gpio pomocí apt-get nebo podobného
• Nastavte časové pásmo na UTC Chcete, aby vaše obrázky byly každý den ve stejnou dobu, a nechcete, aby vás vyhodil letní čas. Nejjednodušší je použít UTC.

Nyní by bylo vhodné experimentovat s kamerovým modulem. Pomocí programu „raspistill“pořiďte několik snímků. Měli byste také experimentovat s možnostmi příkazového řádku, abyste zjistili, jak se ovládá rychlost závěrky.

Hardwarová rozhraní

Modul kamery má vlastní vyhrazené rozhraní plochého kabelu, ale k ovládání relé a serva používáme kolíky GPIO. Všimněte si toho, že existují dvě různá schémata číslování, která se běžně používají, a je snadné se nechat zmást. Raději používám volbu '-g' před příkazem gpio, abych mohl použít oficiální čísla pinů.

Váš výběr kolíků se může lišit, pokud máte jiný model Pi než ten, který používám. Prohlédněte si diagramy pinoutů pro váš konkrétní model.

• Pin 23 - digitální výstup do relé Tento signál zapne relé, které napájí servo
• Pin 18 - PWM na servo Poloha serva je řízena signálem modulace šířky pulsu
• Ground - Postačí jakýkoli zemnící kolík

Ovládání těchto pinů najdete v přiložených skriptech prostředí.

Poznámka: Dialog pro nahrávání na tomto webu měl námitky proti mým pokusům o nahrání souborů, které skončily příponou „.sh“. Tak jsem je přejmenoval s příponou '.notsh' a nahrávání fungovalo dobře. Před použitím je pravděpodobně budete chtít přejmenovat zpět na '.sh'.

crontab

Protože chci fotit každých pět minut po dobu asi 2,5 hodiny, použil jsem crontab, což je systémový nástroj pro spouštění naplánovaných příkazů, i když nejste přihlášeni. Syntaxe je trochu neohrabaná, takže použijte vyhledávač podle svého výběru a získejte více podrobností. Příslušné řádky z mého crontabu jsou připojeny.

Tyto položky provedou a) a) každých pět minut pořídit snímek s nasazeným solárním filtrem ab) několik hodin počkat a pořídit pár snímků bez nasazeného filtru.

Krok 5: Box projektu

V této části opravdu ušetřím pokyny a nechám vás na vaší vlastní fantazii. Důvodem je, že každá instalace bude jiná a bude záviset na tom, kam projekt nainstalujete a na typech materiálu, se kterým pracujete.

Nejdůležitějším aspektem krabice projektu je, že bude umístěn tak, aby se nemohl snadno pohybovat. Jakmile začnete fotografovat, fotoaparát by se neměl hýbat. V opačném případě budete muset napsat software, který provede registraci obrázku a všechny obrázky digitálně seřadí. Je lepší mít pevnou platformu, abyste se s tímto problémem nemuseli potýkat.

Pro svůj projektový box jsem použil 1/2 "MDF, malý kousek 1/4" překližky, 3D vytištěný rámeček, který držel kameru v požadovaném úhlu a nějakou bílou vlnitou projektovou desku. Tento poslední kus je umístěn před rámeček s 3D tiskem, aby byl chráněn před přímým slunečním zářením a aby se předešlo případným problémům s deformací.

Nechal jsem zadní a horní část krabice otevřenou pro případ, že bych se potřeboval dostat k elektronice, ale to se ještě nestalo. Funguje to už sedm týdnů, aniž bych z mé strany potřeboval nějaké opravy nebo vylepšení.

Pohyblivý filtr

Jediná část krabice projektu, která si zaslouží nějaké vysvětlení, je servo s pohyblivým ramenem.

Standardní kamerový modul Raspberry Pi nefunguje tak dobře, pokud jej namíříte na slunce a vyfotíte. V tom mi věř … zkusil jsem to.

Chcete -li získat použitelný obraz slunce, musíte před objektiv umístit sluneční filtr. Pravděpodobně existují drahé předem vyrobené filtry, které si za to můžete koupit, ale já jsem si vyrobil vlastní pomocí malého kousku sluneční fólie a kousku 1/4 HDPE s vyříznutým kruhovým otvorem. Solární fólii lze zakoupit od Amazon za zhruba 12 dolarů. Zpětně jsem si mohl objednat mnohem menší kus a ušetřit trochu peněz. Pokud máte staré nepoužité brýle na zatmění Slunce, možná budete moci jednu z čoček rozříznout a vytvořit vhodný filtr.

Přesunutí filtru

Zatímco většina snímků, které pořídíte, bude s filtrem na místě, chcete také pořídit snímky v jiné denní době, kdy je slunce mimo záběr. Právě ty použijete jako obrázky na pozadí pro překrytí filtrovaných slunečních snímků. Můžete to postavit tak, že ručně přesunete filtr a pořídíte tyto obrázky na pozadí, ale měl jsem další servo a chtěl jsem tento krok automatizovat.

K čemu je relé?

Mezi způsobem, jakým Pi generuje signály PWM, a servem low-end, které jsem použil, byly doby, kdy jsem vše zapnul a servo tam jen sedělo a „klábosilo“. To znamená, že by se pohyboval tam a zpět ve velmi malých krocích, když se pokoušel najít přesnou polohu, kterou Pi velel. To způsobilo, že se servo velmi zahřálo a vydávalo nepříjemný zvuk. Rozhodl jsem se tedy použít relé k napájení serva pouze dvakrát denně, kdy chci pořizovat nefiltrované snímky. To vyžadovalo použití dalšího digitálního výstupního pinu na Pi k zajištění řídicího signálu do relé.

Krok 6: Zajištění napájení

V tomto projektu jsou zapotřebí čtyři položky:

1. Raspberry Pi
2. Wi-Fi dongle (Pokud používáte novější model Pi s vestavěným wi-fi, nebude to nutné)
3. 5V relé
4. Servo

Důležité: Nepokoušejte se napájet servo přímo z 5V pinu na Raspberry Pi. Servo odebírá více proudu, než může Pi dodat, a způsobíte desce nenapravitelné škody. Místo toho použijte samostatný zdroj napájení pro napájení serva a relé.

Co jsem udělal, bylo použít jednu 5V nástěnnou bradavici k napájení Pi a další k napájení starého rozbočovače USB. Rozbočovač se používá pro připojení Wi-Fi dongle a pro napájení relé a serva. Servo a relé nemají konektory USB, takže jsem vzal starý kabel USB a odřízl konektor od konce zařízení. Poté jsem odizoloval 5V a zemnící vodiče a připojil je k relé a servu. To poskytovalo těmto zařízením zdroj energie, aniž by hrozilo poškození Pi.

Poznámka: Pi a externí komponenty nejsou zcela nezávislé. Protože máte řídicí signály přicházející z Pi do relé a serva, musíte mít také zemnící linii, která se vrací z těchto položek do Pi. Mezi hubem a Pi je také USB připojení, aby wi-fi mohlo fungovat. Elektrotechnik by se pravděpodobně otřásl potenciálem zemních smyček a dalších elektrických škod, ale vše funguje, takže se nebudu obávat nedostatku technické dokonalosti.:)

Krok 7: Dát to všechno dohromady

Jakmile máte všechny části připojené, dalším krokem je namontovat servo, rameno závěrky a kameru na montážní desku.

Na jednom obrázku výše vidíte rameno závěrky v poloze (minus solární film, na který jsem ještě nelepil). Rameno závěrky je vyrobeno z 1/4 HDPE a je připevněno pomocí jednoho ze standardních nábojů, které byly dodány se servem.

Na druhém obrázku vidíte zadní část montážní desky a způsob upevnění serva a kamery. Po pořízení tohoto obrázku jsem přepracoval bílý kousek, který vidíte, aby se objektiv fotoaparátu přiblížil k rameni závěrky, a poté jej přetiskl zeleně. Proto na jiných obrázcích není bílá část přítomna.

Slovo opatrnosti

Modul kamery má na desce velmi malý malý plochý kabel, který spojuje skutečnou kameru se zbytkem elektroniky. Tento malý konektor má nepříjemnou tendenci často vyskočit ze zásuvky. Když vyskočí, raspistill hlásí, že kamera není připojena. Strávil jsem spoustu času neplodným přemisťováním obou konců většího plochého kabelu, než mi došlo, kde je skutečný problém.

Poté, co jsem si uvědomil, že problémem je malý kabel na desce, zkusil jsem ho držet páskou Kapton, ale to nefungovalo a nakonec jsem se uchýlil k otěru horkého lepidla. Zatím ho lepidlo drží na místě.

Krok 8: Výběr webu

Skvělé světové dalekohledy se nacházejí na vrcholcích hor v Peru, na Havaji nebo na jiném relativně vzdáleném místě. Pro tento projekt můj úplný seznam kandidátských webů zahrnoval:

• Parapet v mém domě orientovaný na východ
• Západní parapet v mém domě
• Okenní parapet v mém domě na jih

V tomto seznamu chybí zejména Peru a Havaj. Co jsem tedy měl dělat s ohledem na tyto možnosti?

Okno orientované na jih má široce otevřenou rozlohu bez výhledu na budovy, ale kvůli problému s těsněním počasí není opticky jasné. Okno směřující na západ nabízí skvělý výhled na Pikes Peak a zajistilo by nádherný výhled, ale je umístěno v rodinném pokoji a mé ženě by se nelíbilo, aby byl můj vědecký projekt tak nápadně zobrazen po celý rok. To mi zanechalo výhled na východ, který vyhlíží na velkou anténní věž a zadní část místní Safeway. Není to moc hezké, ale byla to nejlepší volba.

Opravdu je nejdůležitější najít místo, kde nebude projekt stržen, přesunut nebo jinak narušen. Dokud můžete dostat slunce do záběru na hodinu dvě každý den, bude fungovat jakýkoli směr.

Krok 9: Fotografování

Zatažená obloha

Náhodou žiji někde, kde je každý rok hodně slunečního svitu, což je dobře, protože mraky s obrázky opravdu způsobují zmatek. Pokud je mírně zataženo, vychází slunce spíše jako světle zelený disk než dobře definovaný oranžový disk, který dostanu v bezoblačný den. Pokud je docela zataženo, na obrázku se nic nezobrazí.

Začal jsem psát nějaký software pro zpracování obrázků, který pomůže tyto problémy zmírnit, ale tento kód ještě není připraven. Do té doby musím jen obejít rozmary počasí.

Zálohujte svá data

S fotoaparátem, který používám, a počtem snímků, které pořídím, vygeneruji každý den asi 70 MB snímků. I kdyby byla karta micro-SD na Pi dostatečně velká, aby pojala roční data, nevěřil bych tomu. Každých několik dní používám scp ke kopírování nedávných dat na plochu. Tam prohlížím obrázky, abych se ujistil, že jsou v pořádku a že se nic divného nestalo. Poté zkopíruji všechny tyto soubory na svůj NAS, abych měl dvě nezávislé kopie dat. Poté se vrátím zpět k Pi a odstraním původní soubory.

Krok 10: Analemma (nebo … astronomicky velká osmička)

Kromě určování osového náklonu a zeměpisné šířky nám fotografování každý den ve stejnou dobu může také poskytnout velmi cool pohled na dráhu Slunce v průběhu roku.

Pokud jste někdy viděli film Odhození s Tomem Hanksem, možná si vzpomenete na scénu v jeskyni, kde postupem času vyznačil sluneční cestu a z ní vyšla osmička. Když jsem poprvé viděl tu scénu, chtěl jsem se o tom jevu dozvědět více a o pouhých sedmnáct let později se konečně dostávám k tomu, že to dělám!

Tento tvar se nazývá analemma a je výsledkem naklonění zemské osy a skutečnosti, že oběžná dráha Země je eliptická a není dokonalým kruhem. Zachytit jeden na film je stejně snadné jako nastavit fotoaparát a pořídit snímek každý den ve stejnou dobu. Přestože je na webu spousta velmi dobrých obrázků s analemem, jednou z věcí, které v tomto projektu uděláme, je vytvořit si vlastní. Další informace o analemmu a o tom, jak může být středobodem docela užitečného almanachu, najdete v tomto článku.

Před příchodem digitální fotografie vyžadovalo pořízení snímku analemma skutečné fotografické schopnosti, protože byste museli pečlivě pořídit více expozic na stejný kus filmu. Kamera Raspberry Pi zjevně nemá film, takže místo dovednosti a trpělivosti jednoduše spojíme více digitálních obrázků, abychom získali stejný efekt.

Krok 11: Co bude dál?

Nyní, když je malý kamerový robot na místě a věrně fotografuje každý den, co dál? Jak se ukazuje, stále je co dělat. Všimněte si, že většina z nich bude zahrnovat psaní pythonu a používání OpenCV. Mám rád python a chtěl jsem se ospravedlnit, abych se naučil OpenCV, takže je to pro mě výhodné!

1. Automaticky detekovat zamračené dny Pokud je příliš zataženo, sluneční fólie a krátká rychlost závěrky vytvoří neprůhledný obraz. Chci automaticky detekovat tento stav a poté buď zvýšit rychlost závěrky, nebo přesunout sluneční filtr z cesty.
2. Použijte zpracování obrazu k nalezení slunce i na zamračených obrázcích. Mám podezření, že je možné najít střed slunce, i když jsou v cestě mraky.
3. Překryjte solární disky na jasném pozadí a vytvořte stopu sluneční dráhy během dne
4. Vytvořte analema Stejná základní technika jako poslední krok, ale pomocí snímků pořízených každý den ve stejnou dobu
5. Změřte úhlové rozlišení kamery (stupně/pixel) Budu to potřebovat pro své pozdější výpočty

Je toho víc, ale to mě na chvíli zaměstná.

Děkuji, že jste se mnou vydrželi až do konce. Doufám, že se vám tento popis projektu líbil a že vás motivuje pustit se do dalšího vlastního projektu!