Солнечная обсерватория: 11 ступеней (с фотографиями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Каков наклон земной оси? На какой широте я нахожусь?

Если вы хотите получить ответ быстро, обратитесь к Google или приложению GPS на своем смартфоне. Но если у вас есть Raspberry Pi, модуль камеры и год или около того, чтобы сделать некоторые наблюдения, вы можете сами определить ответы на эти вопросы. Установив камеру с солнечным фильтром в фиксированном месте и используя Pi для съемки в одно и то же время каждый день, вы можете собрать много данных о пути солнца по небу и, в более широком смысле, пути вокруг Земли. солнце. В этом руководстве я покажу вам, как я построил свою собственную солнечную обсерваторию менее чем за 100 долларов.

Однако прежде чем мы пойдем намного дальше, я должен указать, что у меня только два месяца в моем годичном эксперименте, поэтому я не смогу включить окончательные результаты. Тем не менее, я могу поделиться своим опытом создания этого проекта и, надеюсь, дать вам представление о том, как создать свой собственный.

Хотя это совсем не сложно, этот проект дает возможность применить несколько различных навыков. Как минимум, вам нужно иметь возможность подключить Raspberry Pi к камере и сервоприводу, и вам нужно будет уметь выполнять некоторый уровень разработки программного обеспечения для извлечения данных из сделанных вами изображений. Я также использовал основные инструменты для деревообработки и 3D-принтер, но они не имеют решающего значения для этого проекта.

Я также опишу предпринятые мной долгосрочные усилия по сбору данных и то, как я буду использовать OpenCV для преобразования сотен изображений в числовые данные, которые можно будет анализировать с помощью электронной таблицы или выбранного вами языка программирования. В качестве бонуса мы также подключимся к нашей художественной стороне и рассмотрим несколько интересных визуальных образов.

Шаг 1: Tldr; Краткие инструкции

Это руководство немного длинновато, поэтому для начала вот основные, без дополнительных подробных инструкций.

1. Получите Raspberry Pi, камеру, сервопривод, реле, солнечную пленку, бородавки и различное оборудование.
2. Подключите все это оборудование
3. Настройте Pi и напишите несколько простых сценариев для фотографирования и сохранения результатов.
4. Создайте коробку для проекта и смонтируйте в ней все оборудование.
5. Найдите место для размещения проекта, чтобы он мог видеть солнце, и его не ударили бы и не толкнули.
6. Положи это там
7. Начать фотографировать
8. Каждые несколько дней переносите изображения на другой компьютер, чтобы не заполнять SD-карту.
9. Начните изучать OpenCV, чтобы вы могли извлекать данные из своих изображений
10. Подожди год

Это вкратце проект. Теперь продолжайте читать, чтобы узнать больше об этих шагах.

Шаг 2: Справочная информация

Люди наблюдают за солнцем, луной и звездами с тех пор, как мы живем, и этот проект не дает ничего, чего не делали наши предки тысячи лет назад. Но вместо того, чтобы положить палку в землю и использовать камни, чтобы отмечать места теней в ключевые моменты времени, мы будем использовать Raspberry Pi и камеру и делать все это из дома, не выходя из дома. Ваш проект не станет туристическим объектом через тысячу лет, но с другой стороны, вам не придется бороться с установкой гигантских валунов.

Основная идея этого проекта - навести камеру на фиксированное место в небе и делать снимки в одно и то же время каждый день. Если у вас есть подходящий фильтр на камеру и правильная выдержка, вы получите четкие, четко определенные изображения солнечного диска. Используя эти картинки, вы можете положить виртуальную палку в землю и узнать много интересного.

Чтобы сохранить управляемый размер этого Руководства, все, что я расскажу, - это как определить наклон оси Земли и широту, на которой сделаны снимки. Если раздел комментариев указывает на достаточный интерес, я могу рассказать о некоторых других вещах, которые вы можете узнать из своей солнечной обсерватории, в следующей статье.

Наклон оси Угол между солнцем в тот день, когда оно наиболее удалено на север, и в день, когда оно наиболее удалено на юг, совпадает с наклоном оси Земли. Возможно, вы в школе узнали, что это 23,5 градуса, но теперь вы узнаете это из собственных наблюдений, а не просто из учебника.

Широта Теперь, когда мы знаем наклон оси Земли, вычтите его из высоты пути Солнца в самый длинный день года, чтобы узнать широту вашего текущего местоположения.

Зачем беспокоиться? Очевидно, вы могли бы найти эти значения гораздо более точно и быстро, но если вы относитесь к тому типу людей, которые читают Instructables, вы знаете, что делать это самому приносит большое удовлетворение. Изучение фактов об окружающем мире с использованием не более чем простых прямых наблюдений и прямой математики - вот весь смысл этого проекта.

Шаг 3: Необходимые компоненты

Хотя вы могли бы выполнить весь этот проект с помощью достаточно дорогой и модной камеры, у меня ее нет. Целью этого проекта было использовать то, что у меня уже было под рукой из предыдущих проектов. Это включало Raspberry Pi, модуль камеры и большинство других предметов, перечисленных ниже, хотя мне пришлось пойти на Amazon за некоторыми из них. Общая стоимость, если вам придется все покупать, составит около 100 долларов США.

• Raspberry Pi (подойдет любая модель)
• Модуль камеры Raspberry Pi
• Более длинный ленточный кабель для камеры (необязательно)
• Беспроводной ключ
• Стандартный сервопривод
• Реле 5В
• USB-концентратор с питанием
• Удлинитель и удлинитель
• Лист солнечной пленки
• Пиломатериалы, пластик, ПНД и т. Д.
• Гофрированный картон

Я также использовал свой 3D-принтер Monoprice, но это было для удобства, а не необходимости. Немного творчества с вашей стороны позволит вам придумать подходящий способ обойтись без этого.

Шаг 4: настройка Raspberry Pi

Настраивать

Я не буду здесь вдаваться в подробности и предполагаю, что вам удобно устанавливать ОС на Pi и настраивать ее. Если нет, то в Интернете есть множество ресурсов, которые помогут вам начать работу.

Вот самые важные вещи, на которые следует обратить внимание во время настройки.

• Убедитесь, что ваше WiFi-соединение запускается автоматически при перезагрузке Pi.
• Включить ssh Проект, вероятно, будет установлен в труднодоступном месте, поэтому вы не будете подключать его к монитору и клавиатуре. Вы будете немного использовать ssh и scp, чтобы настроить его и скопировать изображения на другой компьютер.
• Обязательно включите автоматический вход через ssh, чтобы вам не приходилось каждый раз вводить пароль вручную.
• Включение модуля камеры Многие люди подключают камеру, но забывают ее включить.
• Отключить режим графического интерфейса: вы будете работать без головы, поэтому нет необходимости тратить системные ресурсы на работу X-сервера.
• Установите пакет gpio с помощью apt-get или аналогичного
• Установите часовой пояс на всемирное координированное время. Вы хотите, чтобы ваши снимки появлялись каждый день в одно и то же время, и вы не хотите, чтобы их сбрасывал переход на летнее время. Проще всего использовать UTC.

А теперь самое время поэкспериментировать с модулем камеры. Воспользуйтесь программой raspistill, чтобы сделать несколько снимков. Вам также следует поэкспериментировать с параметрами командной строки, чтобы увидеть, как регулируется выдержка.

Аппаратные интерфейсы

Модуль камеры имеет собственный интерфейс с ленточным кабелем, но мы используем контакты GPIO для управления реле и сервоприводом. Обратите внимание, что обычно используются две разные схемы нумерации, и их легко запутать. Я предпочитаю использовать опцию '-g' для команды gpio, чтобы использовать официальные номера контактов.

Ваш выбор контактов может отличаться, если у вас другая модель Pi, чем та, которую я использую. Обратитесь к схемам распиновки для вашей конкретной модели для справки.

• Контакт 23 - цифровой выход на реле Этот сигнал включает реле, которое обеспечивает питание сервопривода.
• Контакт 18 - ШИМ к сервоприводу Положение сервопривода контролируется сигналом широтно-импульсной модуляции.
• Земля - подойдет любой контакт заземления

См. Прилагаемые сценарии оболочки для управления этими контактами.

Примечание. Диалог загрузки на этом сайте возражал против моих попыток загрузить файлы с расширением «.sh». Поэтому я переименовал их с расширением.notsh, и загрузка прошла нормально. Вы, вероятно, захотите переименовать их обратно в.sh перед использованием.

crontab

Поскольку я хочу делать снимки каждые пять минут в течение примерно 2,5 часов, я использовал crontab, системную утилиту для выполнения запланированных команд, даже если вы не вошли в систему. Синтаксис для этого немного неуклюжий, поэтому используйте поисковая система по вашему выбору, чтобы получить более подробную информацию. Соответствующие строки из моего crontab прилагаются.

Эти записи позволяют а) делать снимок каждые пять минут с установленным солнечным фильтром и б) подождать несколько часов и сделать пару снимков без установленного фильтра.

Шаг 5: Project Box

Я собираюсь по-настоящему сэкономить на инструкциях в этом разделе и предоставлю вам ваше собственное воображение. Причина в том, что каждая установка будет отличаться и будет зависеть от того, где вы устанавливаете проект, и от типов материала, с которым вы работаете.

Самым важным аспектом коробки проекта является то, что она должна быть размещена таким образом, чтобы ее не было легко перемещать. Камера не должна двигаться, когда вы начинаете делать снимки. В противном случае вам придется написать программное обеспечение, чтобы выполнить регистрацию изображений и выровнять все изображения в цифровом виде. Лучше иметь фиксированную платформу, чтобы не сталкиваться с этой проблемой.

Для своей коробки я использовал МДФ 1/2 дюйма, небольшой кусок фанеры 1/4 дюйма, раму, напечатанную на 3D-принтере, чтобы держать камеру под нужным углом, и немного белого гофрированного картона. Последний кусок помещают перед рамкой, напечатанной на 3D-принтере, чтобы защитить ее от прямых солнечных лучей и избежать возможных проблем с деформацией.

Я оставил заднюю и верхнюю часть коробки открытыми на случай, если мне понадобится добраться до электроники, но этого еще не произошло. Он работает уже семь недель без каких-либо исправлений с моей стороны.

Подвижный фильтр

Единственная часть проектной коробки, заслуживающая некоторых пояснений, - это сервопривод с подвижным рычагом.

Стандартный модуль камеры Raspberry Pi не будет работать так хорошо, если вы просто направите его на солнце и сделаете снимок. Поверьте мне в этом… Я пробовал.

Чтобы получить удобное изображение солнца, вам нужно установить солнечный фильтр перед линзой. Вероятно, есть дорогие готовые фильтры, которые вы можете купить для этого, но я сделал свой собственный, используя небольшой кусок солнечной пленки и кусок 1/4 HDPE с круглым отверстием в нем. Солнечную пленку можно купить в Amazon примерно за 12 долларов. Оглядываясь назад, я мог бы заказать гораздо меньшую деталь и сэкономить немного денег. Если у вас есть старые очки солнечного затмения, лежащие неиспользованными, вы могли бы отрезать одну из линз и сделать подходящий фильтр.

Заставляем фильтр двигаться

Хотя большинство снимков, которые вы сделаете, будут с установленным фильтром, вы также захотите получить снимки в другое время дня, когда солнце находится вне кадра. Это то, что вы будете использовать в качестве фоновых изображений для наложения фильтрованных изображений солнца. Вы можете построить его так, чтобы вручную перемещать фильтр и снимать эти фоновые изображения, но у меня был дополнительный сервопривод, и я хотел автоматизировать этот шаг.

Для чего это реле?

Между тем, как Pi генерирует сигналы PWM, и сервоприводом нижнего уровня, который я использовал, были времена, когда я включал все, а сервопривод просто сидел и «болтал». То есть он будет двигаться вперед и назад очень маленькими шагами, пытаясь найти точное положение, которым командовал Пи. Это привело к тому, что сервопривод сильно нагрелся и издал раздражающий шум. Поэтому я решил использовать реле для подачи питания на сервопривод только два раза в день, когда я хочу делать нефильтрованные снимки. Это потребовало использования другого цифрового выходного вывода на Pi для подачи управляющего сигнала на реле.

Шаг 6: Обеспечение власти

В этом проекте четыре элемента нуждаются в мощности:

1. Raspberry Pi
2. Адаптер Wi-Fi (если вы используете более позднюю модель Pi со встроенным Wi-Fi, в этом нет необходимости)
3. Реле 5В
4. Сервопривод

Важно: не пытайтесь запитать сервопривод напрямую от вывода 5V на Raspberry Pi. Сервопривод потребляет больше тока, чем может обеспечить Pi, и вы нанесете плате непоправимый вред. Вместо этого используйте отдельный источник питания для сервопривода и реле.

Я использовал одну стенную бородавку на 5 В для питания Pi, а другую - для питания старого USB-концентратора. Концентратор используется для подключения ключа Wi-Fi и подачи питания на реле и сервопривод. Сервопривод и реле не имеют разъемов USB, поэтому я взял старый кабель USB и отрезал разъем на конце устройства. Затем я зачистил провода 5 В и заземления и подключил их к реле и сервоприводу. Это обеспечило источник питания для этих устройств, не рискуя повредить Pi.

Примечание: Pi и внешние компоненты не полностью независимы. Поскольку у вас есть управляющие сигналы, поступающие от Pi на реле и сервопривод, у вас также должна быть линия заземления, идущая от этих элементов к Pi. Также существует USB-соединение между концентратором и Pi, так что Wi-Fi может работать. Инженер-электрик, вероятно, вздрогнет от возможности возникновения контуров заземления и других проблем с электричеством, но все это работает, поэтому я не собираюсь беспокоиться о недостатке инженерного мастерства.:)

Шаг 7: Собираем все вместе

После того, как вы подключили все детали, следующим шагом будет установка сервопривода, рычага затвора и камеры на монтажную пластину.

На одном изображении выше вы можете увидеть рычаг затвора в нужном положении (без солнечной пленки, которую я еще не приклеил). Рычаг заслонки изготовлен из 1/4 HDPE и прикреплен с помощью одной из стандартных ступиц, поставляемых с сервоприводом.

На другом изображении вы можете увидеть заднюю часть монтажной пластины и то, как прикреплены сервопривод и камера. После того, как этот снимок был сделан, я переработал белый элемент, который вы видите, чтобы приблизить объектив камеры к штанге затвора, а затем перепечатал его зеленым цветом. Поэтому на других снимках белой части нет.

Слово предостережения

Модуль камеры имеет крошечный ленточный кабель на плате, который соединяет реальную камеру с остальной электроникой. Этот маленький разъем имеет раздражающую тенденцию часто выскакивать из гнезда. Когда выскакивает, распистил сообщает, что камера не подключена. Я потратил много времени, безуспешно переставляя оба конца большого ленточного кабеля, прежде чем понял, в чем настоящая проблема.

После того, как я понял, что проблема в маленьком кабеле на плате, я попытался закрепить его каптоновой лентой, но это не сработало, и я, наконец, прибег к нанесению горячего клея. Пока клей держится на месте.

Шаг 8: выбор места

Самые большие телескопы мира расположены на вершинах гор в Перу, на Гавайях или в другом относительно удаленном месте. Для этого проекта мой полный список сайтов-кандидатов включал:

• Подоконник на восток в моем доме
• Подоконник в моем доме, выходящий на запад
• Подоконник на южной стороне в моем доме

Примечательно, что в этом списке отсутствуют Перу и Гавайи. Итак, учитывая этот выбор, что мне было делать?

Окно, выходящее на юг, имеет широко открытое пространство, в котором не видно зданий, но из-за проблемы с защитой от атмосферных воздействий оно не является оптически прозрачным. Из окна, выходящего на запад, открывается прекрасный вид на Пайкс-Пик, и из него открывается потрясающий вид, но оно находится в семейной комнате, и моей жене, возможно, не понравится, чтобы мой научный проект был так широко представлен в течение всего года. Это оставило меня с видом на восток, который выходит на большую антенную вышку и заднюю часть местного Safeway. Не очень красиво, но это был лучший выбор.

На самом деле, самое главное - найти место, где проект не будет толкаться, перемещаться или иным образом нарушаться. Пока вы можете получать солнце в кадре на час два каждый день, любое направление будет работать.

Шаг 9: фотографирование

Облачное небо

Я живу в месте, где каждый год много солнечного света, и это хорошо, поскольку облака действительно портят фотографии. Если немного облачно, солнце выходит в виде бледно-зеленого диска, а не ярко выраженного оранжевого диска, который я получаю в безоблачный день. Если облачно, на изображении ничего не видно.

Я начал писать программное обеспечение для обработки изображений, чтобы помочь решить эти проблемы, но этот код еще не готов. А пока мне просто нужно работать над капризами погоды.

Сделайте резервную копию ваших данных

С помощью камеры, которую я использую, и количества снимков, которые я делаю, я генерирую около 70 МБ изображений каждый день. Даже если бы карта micro-SD на Pi была достаточно большой, чтобы хранить данные за год, я бы ей не стал доверять. Каждые несколько дней я использую scp для копирования последних данных на свой рабочий стол. Там я просматриваю изображения, чтобы убедиться, что они в порядке и ничего странного не произошло. Затем я копирую все эти файлы на свой NAS, чтобы получить две независимые копии данных. После этого я возвращаюсь к Pi и удаляю исходные файлы.

Шаг 10: Аналемма (или… астрономически большая восьмерка)

Помимо определения наклона оси и широты, съемка в одно и то же время каждый день также может дать нам очень крутой вид на путь Солнца в течение года.

Если вы когда-нибудь смотрели фильм «Изгнание» с Томом Хэнксом, вы, возможно, помните сцену в пещере, где он отмечал путь солнца с течением времени, и получилась восьмерка. Когда я впервые увидел эту сцену, я захотел узнать больше об этом явлении, и всего семнадцать лет спустя я, наконец, начал делать именно это!

Эта форма называется аналеммой и является результатом наклона оси Земли и того факта, что орбита Земли имеет эллиптическую форму, а не идеальный круг. Сделать снимок на пленку так же просто, как настроить камеру и делать снимки в одно и то же время каждый день. Хотя в сети много очень хороших изображений аналеммы, в этом проекте мы сделаем одно из наших собственных. Подробнее об аналемме и о том, как можно стать центральным элементом довольно полезного альманаха, читайте в этой статье.

До появления цифровой фотографии для получения снимка аналеммы требовались настоящие фотографические навыки, так как вам приходилось тщательно снимать несколько экспозиций на одном и том же куске пленки. Очевидно, что у камеры Raspberry Pi нет пленки, поэтому вместо навыков и терпения мы собираемся просто объединить несколько цифровых изображений, чтобы получить тот же эффект.

Шаг 11: Что дальше?

Теперь, когда маленький фотоаппарат-робот на месте и добросовестно делает снимки каждый день, что дальше? Оказывается, предстоит еще немало дел. Обратите внимание, что большинство из них будет связано с написанием Python и использованием OpenCV. Мне нравится Python, и я хотел найти повод изучить OpenCV, так что это беспроигрышный вариант для меня!

1. Автоматическое определение пасмурных дней Если слишком пасмурно, солнечная пленка и короткая выдержка делают изображение непрозрачным. Я хочу автоматически определить это состояние, а затем либо увеличить выдержку, либо убрать солнечный фильтр в сторону.
2. Используйте обработку изображений, чтобы найти солнце даже на облачных снимках. Я подозреваю, что можно найти центральную точку солнца, даже если облака мешают.
3. Наложите солнечные диски на четкое фоновое изображение, чтобы сформировать дорожку движения солнца в течение дня.
4. Создайте аналемму. Такая же базовая техника, как и на последнем этапе, но с использованием снимков, сделанных в одно и то же время каждый день.
5. Измерьте угловое разрешение камеры (градусы / пиксель). Это мне понадобится для дальнейших расчетов.

Есть еще кое-что, но это займет у меня некоторое время.

Спасибо, что оставались со мной до конца. Я надеюсь, что вам понравилось это описание проекта и оно мотивирует вас взяться за свой следующий проект!