Obserwatorium słoneczne: 11 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Jakie jest nachylenie osi Ziemi? Na jakiej jestem szerokości geograficznej?

Jeśli chcesz szybko uzyskać odpowiedź, możesz skorzystać z aplikacji Google lub GPS na swoim smartfonie. Ale jeśli masz Raspberry Pi, moduł kamery i mniej więcej rok na spostrzeżenia, możesz samodzielnie określić odpowiedzi na te pytania. Ustawiając kamerę z filtrem słonecznym w stałej lokalizacji i używając Pi do robienia zdjęć o tej samej porze każdego dnia, możesz zebrać wiele danych o torze słońca na niebie, a co za tym idzie, o torze Ziemi wokół słońce. W tej instrukcji pokazuję, jak stworzyłem własne obserwatorium słoneczne za mniej niż 100 USD.

Zanim jednak przejdziemy znacznie dalej, powinienem zaznaczyć, że trwają dopiero dwa miesiące mojego rocznego eksperymentu, więc nie będę mógł zawrzeć ostatecznych wyników. Mogę jednak podzielić się swoim doświadczeniem w budowaniu tego projektu i mam nadzieję, że podpowiem Ci, jak zbudować własny.

Chociaż nie jest to wcale trudne, ten projekt daje możliwość ćwiczenia kilku różnych umiejętności. Jako minimum, musisz być w stanie podłączyć Raspberry Pi do kamery i serwomechanizmu i będziesz musiał być w stanie wykonać pewien poziom rozwoju oprogramowania, aby wyodrębnić dane z robionych zdjęć. Skorzystałem też z podstawowych narzędzi do obróbki drewna i drukarki 3D, ale nie są one kluczowe w tym projekcie.

Opiszę również długofalowy wysiłek związany z gromadzeniem danych, który podjąłem oraz sposób, w jaki wykorzystam OpenCV do przekształcenia setek zdjęć w dane liczbowe, które można przeanalizować za pomocą arkusza kalkulacyjnego lub wybranego języka programowania. Jako bonus wykorzystamy również naszą artystyczną stronę i przyjrzymy się ciekawym obrazom wizualnym.

Krok 1: Tldr; Krótkie instrukcje

Ten Instruktaż jest nieco dłuższy, więc na początek oto gołe kości, bez dodatkowych szczegółowych instrukcji.

1. Zdobądź Raspberry Pi, kamerę, serwo, przekaźnik, folię słoneczną, brodawki ścienne i inny sprzęt
2. Podłącz cały ten sprzęt
3. Skonfiguruj Pi i napisz kilka prostych skryptów do robienia zdjęć i zapisywania wyników
4. Zbuduj pudełko projektowe i zamontuj w nim cały sprzęt
5. Znajdź miejsce, w którym możesz umieścić projekt, w którym będzie mógł widzieć słońce i nie zostanie uderzony ani potrącony
6. Połóż to tam
7. Zacznij robić zdjęcia
8. Co kilka dni przenieś zdjęcia na inny komputer, aby nie zapełniać karty SD
9. Zacznij uczyć się OpenCV, aby móc wyodrębniać dane ze swoich obrazów
10. Poczekaj rok

To projekt w pigułce. Teraz czytaj dalej, aby uzyskać dodatkowe informacje na temat tych kroków.

Krok 2: Tło

Ludzie obserwowali słońce, księżyc i gwiazdy odkąd istniejemy, a ten projekt nie osiąga niczego, czego nasi przodkowie nie dokonali tysiące lat temu. Ale zamiast umieszczać patyk w ziemi i używać kamieni do zaznaczania lokalizacji cieni w kluczowych momentach, użyjemy Raspberry Pi i kamery i zrobimy to z wnętrza naszych domów. Twój projekt nie będzie miejscem turystycznym za tysiąc lat, ale z drugiej strony nie będziesz musiał walczyć z ustawianiem gigantycznych głazów.

Ogólną ideą tego projektu jest skierowanie aparatu w stałe miejsce na niebie i robienie zdjęć o tej samej porze każdego dnia. Jeśli masz w aparacie odpowiedni filtr i odpowiednią szybkość migawki, uzyskasz ostre, dobrze zdefiniowane obrazy tarczy słońca. Korzystając z tych obrazków, możesz wbić w ziemię wirtualny patyk i nauczyć się kilku ciekawych rzeczy.

Aby utrzymać rozmiar tego Instructable w zarządzaniu, wszystko, co omówię, to jak określić nachylenie osi Ziemi i szerokość geograficzną, na której robione są zdjęcia. Jeśli sekcja komentarzy wskazuje na wystarczające zainteresowanie, mogę opowiedzieć o kilku innych rzeczach, których możesz się nauczyć od swojego obserwatorium słonecznego w kolejnym artykule.

Nachylenie osi Kąt między słońcem w dniu, w którym jest najdalej na północ i w dniu, w którym jest najdalej na południe, jest taki sam jak nachylenie osi Ziemi. Być może nauczyłeś się w szkole, że jest to 23,5 stopnia, ale teraz poznasz to z własnych obserwacji, a nie tylko z podręcznika.

Szerokość geograficzna Teraz, gdy znamy nachylenie osi Ziemi, odejmij to od wzniesienia trajektorii Słońca w najdłuższy dzień w roku, aby poznać szerokość geograficzną aktualnej lokalizacji.

Po co się męczyć? Oczywiście możesz znaleźć te wartości znacznie dokładniej i szybciej, ale jeśli jesteś typem osoby, która czyta Instructables, wiesz, że robienie tego samemu daje dużo satysfakcji. Poznawanie faktów o otaczającym nas świecie za pomocą prostych, bezpośrednich obserwacji i prostej matematyki jest głównym celem tego projektu.

Krok 3: Wymagane składniki

Chociaż mógłbyś zrobić cały ten projekt za pomocą odpowiednio drogiego i wymyślnego aparatu, ja takiego nie mam. Celem tego projektu było wykorzystanie tego, co już miałem pod ręką z poprzednich projektów. Obejmuje to Raspberry Pi, moduł kamery i większość innych elementów wymienionych poniżej, chociaż musiałem udać się do Amazon po kilka z nich. Całkowity koszt, jeśli musisz kupić wszystko, wyniesie około 100 USD.

• Raspberry Pi (każdy model zrobi)
• Moduł kamery Raspberry Pi
• Dłuższy kabel taśmowy do kamery (opcjonalnie)
• Klucz bezprzewodowy
• Serwo standardowe
• Przekaźnik 5 V
• Zasilany koncentrator USB
• Listwa zasilająca i przedłużacz
• Arkusz folii słonecznej
• Złom tarcicy, plastiku, HDPE itp.
• Tektura falista projektu

Skorzystałem też z mojej drukarki Monoprice 3D, ale to była wygoda, a nie konieczność. Odrobina kreatywności z Twojej strony pozwoli Ci wymyślić odpowiedni sposób na obejście się bez tego.

Krok 4: Konfiguracja Raspberry Pi

Ustawiać

Nie będę się tutaj szczegółowo rozwodził i założę, że czujesz się komfortowo z instalacją systemu operacyjnego na Pi i konfiguracją. Jeśli nie, w sieci jest mnóstwo zasobów, które pomogą Ci zacząć.

Oto najważniejsze rzeczy, na które należy zwrócić uwagę podczas konfiguracji.

• Upewnij się, że połączenie Wi-Fi uruchamia się automatycznie po ponownym uruchomieniu Pi
• Włącz sshProjekt prawdopodobnie zostanie zainstalowany na uboczu, dzięki czemu nie będzie podłączony do monitora i klawiatury. Będziesz używał ssh & scp, aby go skonfigurować i skopiować zdjęcia na inny komputer.
• Pamiętaj, aby włączyć automatyczne logowanie przez ssh, aby za każdym razem nie trzeba było ręcznie wpisywać hasła
• Włącz moduł kamery Wiele osób podłącza kamerę, ale zapomnij ją włączyć
• Wyłącz tryb GUIBędziesz działał bez nagłówka, więc nie musisz wydawać zasobów systemowych na serwer X
• Zainstaluj pakiet gpio za pomocą apt-get lub podobnego
• Ustaw strefę czasową na UTC Chcesz, aby Twoje zdjęcia każdego dnia były o tej samej porze i nie chcesz, aby zostały zrzucone przez czas letni. Najłatwiej jest użyć czasu UTC.

Teraz byłby dobry czas na eksperymenty z modułem kamery. Użyj programu 'raspistill', aby zrobić kilka zdjęć. Powinieneś także poeksperymentować z opcjami wiersza poleceń, aby zobaczyć, jak kontrolowany jest czas otwarcia migawki.

Interfejsy sprzętowe

Moduł kamery ma własny dedykowany interfejs kabla taśmowego, ale do sterowania przekaźnikiem i serwo używamy pinów GPIO. Zauważ, że w powszechnym użyciu są dwa różne schematy numeracji i łatwo się pomylić. Wolę używać opcji '-g' do polecenia gpio, aby móc używać oficjalnych numerów pin.

Twój wybór pinów może się różnić, jeśli masz inny model Pi niż ten, którego używam. W celach informacyjnych zapoznaj się ze schematami wyprowadzeń dla konkretnego modelu.

• Pin 23 - Wyjście cyfrowe do przekaźnika Ten sygnał włącza przekaźnik, który zapewnia zasilanie serwomechanizmu
• Pin 18 - PWM do serwaPozycja serwa jest kontrolowana przez sygnał modulacji szerokości impulsu
• Uziemienie - wystarczy dowolny pin uziemiający

Zobacz załączone skrypty powłoki do kontrolowania tych pinów.

Uwaga: okno dialogowe przesyłania w tej witrynie sprzeciwiało się moim próbom przesyłania plików, które kończyły się na „.sh”. Więc zmieniłem ich nazwy z rozszerzeniem '.notsh' i przesyłanie działało dobrze. Prawdopodobnie będziesz chciał zmienić ich nazwy z powrotem na '.sh' przed użyciem.

crontab

Ponieważ chcę robić zdjęcia co pięć minut przez około 2,5 godziny, użyłem crontab, który jest narzędziem systemowym do uruchamiania zaplanowanych poleceń, nawet gdy nie jesteś zalogowany. Składnia tego jest trochę niezgrabna, więc użyj wybraną wyszukiwarkę, aby uzyskać więcej szczegółów. Załączam odpowiednie wiersze z mojego crontab.

Wpisy te polegają na a) robieniu zdjęcia co pięć minut z założonym filtrem słonecznym oraz b) odczekaniu kilku godzin i zrobieniu kilku zdjęć bez filtra.

Krok 5: Pole projektu

Mam zamiar naprawdę skąpić w instrukcjach w tej sekcji i pozostawić cię własnej wyobraźni. Powodem jest to, że każda instalacja będzie inna i będzie zależeć od miejsca instalacji projektu i rodzaju materiałów, z którymi pracujesz.

Najważniejszym aspektem pudełka projektowego jest to, że jest umieszczone w taki sposób, aby nie było łatwo się poruszać. Aparat nie powinien się ruszać po rozpoczęciu robienia zdjęć. W przeciwnym razie będziesz musiał napisać oprogramowanie, aby wykonać rejestrację obrazu i cyfrowo wyrównać wszystkie zdjęcia. Lepiej mieć stałą platformę, aby nie mieć do czynienia z tym problemem.

W moim pudełku projektowym użyłem 1/2" MDF, małego kawałka sklejki 1/4", drukowanej ramki 3D do trzymania kamery pod pożądanym kątem i białej tektury falistej. Ten ostatni element umieszcza się przed wydrukowaną ramą 3D, aby chronić ją przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych i uniknąć potencjalnych problemów z wypaczeniem.

Tył i górną część pudełka zostawiłem otwarte na wypadek, gdybym musiał dostać się do elektroniki, ale to się jeszcze nie stało. Działa już od siedmiu tygodni, nie wymagając żadnych poprawek ani ulepszeń z mojej strony.

Ruchomy filtr

Jedyną częścią pudełka projektu, która zasługuje na wyjaśnienie, jest serwo z ruchomym ramieniem.

Standardowy moduł kamery Raspberry Pi nie działa tak dobrze, jeśli po prostu skierujesz go na słońce i zrobisz zdjęcie. Zaufaj mi w tym… próbowałem.

Aby uzyskać użyteczny obraz słońca, przed obiektywem należy umieścić filtr słoneczny. Prawdopodobnie są drogie gotowe filtry, które można do tego kupić, ale zrobiłem własny, używając małego kawałka folii solarnej i kawałka 1/4 HDPE z wyciętym okrągłym otworem. Folię solarną można kupić w Amazon za około 12 dolarów. Z perspektywy czasu mogłem zamówić znacznie mniejszy kawałek i zaoszczędzić trochę pieniędzy. Jeśli masz jakieś stare okulary do zaćmienia Słońca leżące nieużywane, możesz być w stanie wyciąć jedną z soczewek i zrobić odpowiedni filtr.

Wykonywanie ruchu filtra

Chociaż większość zdjęć, które robisz, będzie z założonym filtrem, chcesz również robić zdjęcia o innych porach dnia, gdy słońce jest poza kadrem. Są to te, których użyjesz jako obrazów tła do nakładania przefiltrowanych zdjęć słońca. Możesz go zbudować tak, aby ręcznie przesuwać filtr i robić te obrazy tła, ale miałem dodatkowe serwo i chciałem zautomatyzować ten krok.

Do czego służy przekaźnik?

Pomiędzy sposobem, w jaki Pi generuje sygnały PWM, a low-endowym serwomechanizmem, którego użyłem, były chwile, kiedy włączałem wszystko, a serwo po prostu siedziało i „gadało”. Oznacza to, że poruszał się tam i z powrotem bardzo małymi krokami, próbując znaleźć dokładną pozycję, którą dowodził Pi. To spowodowało, że serwo stało się bardzo gorące i wydało irytujący dźwięk. Postanowiłem więc użyć przekaźnika do zasilania serwa tylko podczas dwóch razy dziennie, kiedy chcę robić niefiltrowane zdjęcia. Wymagało to użycia innego cyfrowego pinu wyjściowego na Pi, aby dostarczyć sygnał sterujący do przekaźnika.

Krok 6: Zapewnienie zasilania

W tym projekcie są cztery elementy, które potrzebują mocy:

1. Malina Pi
2. Klucz Wi-Fi (jeśli używasz nowszego modelu Pi z wbudowanym Wi-Fi, nie będzie to konieczne)
3. Przekaźnik 5 V
4. Serwo

Ważne: Nie próbuj zasilać serwa bezpośrednio z pinu 5V na Raspberry Pi. Serwo pobiera więcej prądu niż może dostarczyć Pi, a ty wyrządzisz nieodwracalne szkody płytce. Zamiast tego użyj oddzielnego źródła zasilania do zasilania serwomechanizmu i przekaźnika.

To, co zrobiłem, polegało na użyciu jednej brodawki ściennej 5 V do zasilania Pi, a drugiej do zasilania starego koncentratora USB. Koncentrator służy do wpięcia klucza Wi-fi oraz do zasilania przekaźnika i serwomechanizmu. Serwo i przekaźnik nie mają gniazd USB więc wziąłem stary kabel USB i odciąłem złącze od strony urządzenia. Potem rozebrałem przewody 5V i uziemienia i podłączyłem je do przekaźnika i serwa. Zapewniło to źródło zasilania dla tych urządzeń bez ryzyka uszkodzenia Pi.

Uwaga: Pi i komponenty zewnętrzne nie są całkowicie niezależne. Ponieważ masz sygnały sterujące pochodzące z Pi do przekaźnika i serwomechanizmu, musisz również mieć linię uziemiającą biegnącą z tych elementów do Pi. Istnieje również połączenie USB między koncentratorem a Pi, dzięki czemu wi-fi może działać. Inżynier elektryk prawdopodobnie wzdrygnąłby się na widok pętli uziemienia i innych elektrycznych psot, ale to wszystko działa, więc nie będę się martwić brakiem doskonałości inżynieryjnej.:)

Krok 7: Złóż wszystko razem

Po podłączeniu wszystkich części następnym krokiem jest zamontowanie serwomechanizmu, ramienia migawki i kamery na płycie montażowej.

Na jednym z powyższych zdjęć widać ramię migawki w pozycji (bez folii słonecznej, której jeszcze nie nakleiłem). Ramię przesłony wykonane jest z 1/4 HDPE i jest mocowane za pomocą jednego ze standardowych hubów dostarczonych z serwomechanizmem.

Na drugim zdjęciu widać tył płyty montażowej oraz sposób mocowania serwa i kamery. Po zrobieniu tego zdjęcia przeprojektowałem biały element, który widzisz, aby przybliżyć obiektyw aparatu do ramienia migawki, a następnie przedrukowałem go na zielono. Dlatego na innych zdjęciach nie ma białej części.

Słowo ostrzeżenia

Moduł kamery ma bardzo mały kabel taśmowy na płycie, który łączy rzeczywistą kamerę z resztą elektroniki. To małe złącze ma irytującą tendencję do częstego wyskakiwania z gniazda. Kiedy wyskoczy, raspistill informuje, że kamera nie jest podłączona. Spędziłem dużo czasu bezowocnie ponownie umieszczając oba końce większego kabla taśmowego, zanim zdałem sobie sprawę, gdzie leży prawdziwy problem.

Po tym, jak zdałem sobie sprawę, że problemem był mały kabel na płycie, próbowałem przytrzymać go taśmą Kapton, ale to nie zadziałało i w końcu uciekłem się do odrobiny gorącego kleju. Do tej pory klej utrzymywał go na miejscu.

Krok 8: Wybór miejsca

Wspaniałe teleskopy na świecie znajdują się na szczytach gór w Peru, na Hawajach lub w innym stosunkowo odległym miejscu. W przypadku tego projektu moja pełna lista stron kandydujących obejmowała:

• Parapet wychodzący na wschód w moim domu
• Parapet wychodzący na zachód w moim domu
• Parapet od strony południowej w moim domu

Szczególnie nieobecne na tej liście są Peru i Hawaje. Więc biorąc pod uwagę te wybory, co miałem zrobić?

Okna wychodzące na południe mają otwartą przestrzeń bez widocznych budynków, ale ze względu na problem z uszczelnieniem pogodowym nie są one czytelne optycznie. Okno wychodzące na zachód oferuje wspaniały widok na Pikes Peak i byłby wspaniały widok, ale znajduje się w pokoju rodzinnym, a moja żona może nie lubić, aby mój projekt naukowy był tak eksponowany przez cały rok. To pozostawiło mnie z widokiem na wschód, który wychodzi na dużą wieżę antenową i tył lokalnego Safewaya. Niezbyt ładna, ale to był najlepszy wybór.

Naprawdę najważniejsze jest znalezienie miejsca, w którym projekt nie zostanie potrącony, przeniesiony ani w inny sposób zakłócony. Tak długo, jak można ustawić słońce w kadrze przez dwie godziny dziennie, każdy kierunek będzie działał.

Krok 9: Robienie zdjęć

Zachmurzone niebo

Tak się składa, że mieszkam w miejscu, w którym każdego roku jest dużo słońca, co jest dobre, ponieważ chmury naprawdę sieją spustoszenie na zdjęciach. Jeśli jest lekko pochmurno, słońce wyjdzie jako bladozielony dysk, a nie wyraźnie zaznaczony pomarańczowy dysk, który otrzymuję w bezchmurny dzień. Jeśli jest dość pochmurno, na obrazie nic się nie wyświetla.

Zacząłem pisać oprogramowanie do przetwarzania obrazu, które pomoże złagodzić te problemy, ale ten kod nie jest jeszcze gotowy. Do tego czasu muszę po prostu radzić sobie z kaprysami pogody.

Utwórz kopię zapasową swoich danych

Z aparatem, którego używam i liczbą zdjęć, które robię, każdego dnia generuję około 70 MB zdjęć. Nawet gdyby karta micro-SD w Pi była wystarczająco duża, aby pomieścić dane z roku, nie ufałbym jej. Co kilka dni używam scp do kopiowania ostatnich danych na mój pulpit. Tam oglądam zdjęcia, aby upewnić się, że są w porządku i że nic dziwnego się nie wydarzyło. Następnie kopiuję wszystkie te pliki na mój NAS, aby mieć dwie niezależne kopie danych. Potem wracam do Pi i usuwam oryginalne pliki.

Krok 10: Analema (lub… astronomicznie duża ósemka)

Oprócz określania nachylenia osi i szerokości geograficznej, wykonywanie zdjęć o tej samej porze każdego dnia może również zapewnić nam bardzo fajny widok toru Słońca na przestrzeni roku.

Jeśli kiedykolwiek widziałeś film Cast Away with Tom Hanks, być może pamiętasz scenę w jaskini, w której wyznaczał on drogę słońca w czasie i tworzył ósemkę. Kiedy po raz pierwszy zobaczyłem tę scenę, chciałem dowiedzieć się więcej o tym zjawisku, a zaledwie siedemnaście lat później w końcu zabieram się do robienia właśnie tego!

Kształt ten nazywany jest analemmą i jest wynikiem nachylenia osi Ziemi oraz faktu, że orbita Ziemi jest eliptyczna, a nie idealny okrąg. Uchwycenie jednego na filmie jest tak proste, jak ustawienie aparatu i robienie zdjęcia o tej samej porze każdego dnia. Chociaż w sieci jest wiele bardzo dobrych zdjęć analemmy, jedną z rzeczy, które zrobimy w tym projekcie, jest stworzenie własnego. Więcej informacji na temat analemmy i tego, jak można być centralnym elementem całkiem przydatnego almanachu, znajdziesz w tym artykule.

Przed pojawieniem się fotografii cyfrowej zrobienie zdjęcia analemmy wymagało prawdziwych umiejętności fotograficznych, ponieważ trzeba było ostrożnie wykonywać wiele ekspozycji na tym samym kliszy. Oczywiście kamera Raspberry Pi nie ma filmu, więc zamiast umiejętności i cierpliwości, po prostu połączymy wiele cyfrowych obrazów, aby uzyskać ten sam efekt.

Krok 11: Co dalej?

Teraz, gdy mały robot-kamera jest na miejscu i codziennie wiernie robi zdjęcia, co dalej? Jak się okazuje, jest jeszcze sporo rzeczy do zrobienia. Zauważ, że większość z nich będzie polegać na pisaniu Pythona i korzystaniu z OpenCV. Lubię Pythona i szukam wymówki, aby nauczyć się OpenCV, więc jest to dla mnie korzystna wygrana!

1. Automatyczne wykrywanie pochmurnych dni Jeśli jest zbyt pochmurno, folia słoneczna i krótki czas otwarcia migawki zapewniają nieprzezroczysty obraz. Chcę automatycznie wykryć ten stan, a następnie zwiększyć czas otwarcia migawki lub odsunąć filtr słoneczny.
2. Użyj przetwarzania obrazu, aby znaleźć słońce nawet na pochmurnych zdjęciach. Podejrzewam, że można znaleźć centralny punkt słońca, nawet jeśli chmury przeszkadzają.
3. Nakładaj dyski słoneczne na wyraźny obraz tła, aby utworzyć ślad ruchu słońca w ciągu dnia
4. Stwórz analemmęTa sama podstawowa technika jak w ostatnim kroku, ale przy użyciu zdjęć robionych o tej samej porze każdego dnia
5. Zmierz rozdzielczość kątową kamery (stopnie/piksel) Potrzebuję tego do moich późniejszych obliczeń

Jest tego więcej, ale to zajmie mi trochę czasu.

Dzięki za trzymanie się ze mną do końca. Mam nadzieję, że spodobał Ci się ten opis projektu i że zmotywuje Cię do podjęcia kolejnego projektu!