Solar Observatory: 11 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Hva er tiltingen av jordens akse? Hvilken breddegrad er jeg på?

Hvis du vil ha svaret raskt, slår du enten til Google eller en GPS -app på smarttelefonen. Men hvis du har en Raspberry Pi, en kameramodul og et år eller så for å gjøre noen observasjoner, kan du selv bestemme svarene på disse spørsmålene. Ved å sette opp et kamera med et solfilter på et fast sted og bruke Pi til å ta bilder på samme tid hver dag, kan du samle mye data om solens vei gjennom himmelen og i forlengelse av jordens vei rundt solen. I denne instruksen viser jeg deg hvordan jeg laget mitt eget solobservatorium for under $ 100.

Før vi går mye lenger, bør jeg påpeke at jeg bare er to måneder inne i mitt år lange eksperiment, så jeg kan ikke inkludere de endelige resultatene. Imidlertid kan jeg dele min erfaring med å bygge dette prosjektet og forhåpentligvis gi deg en ide om hvordan du bygger ditt eget.

Selv om det ikke er vanskelig, gir dette prosjektet muligheten til å trene flere forskjellige ferdigheter. Som et minimum må du kunne koble en Raspberry Pi til et kamera og en servo, og du må kunne gjøre et visst nivå av programvareutvikling for å trekke ut data fra bildene du tar. Jeg brukte også grunnleggende trebearbeidingsverktøy og en 3D -skriver, men disse er ikke avgjørende for dette prosjektet.

Jeg vil også beskrive den langsiktige innsamlingen av datainnsamling jeg har utført, og hvordan jeg vil bruke OpenCV til å gjøre hundrevis av bilder til numeriske data som kan analyseres ved hjelp av et regneark eller et valgfritt programmeringsspråk. Som en bonus vil vi også benytte oss av vår kunstneriske side og se på noen interessante visuelle bilder.

Trinn 1: Tldr; Korte instruksjoner

Denne instruksjonsboken er litt på langsiden, så for å komme i gang, her er bare bein, ingen ekstra detaljer gir instruksjoner.

1. Skaff deg en Raspberry Pi, kamera, servo, relé, solfilm, veggvorter og diverse maskinvare
2. Koble til all den maskinvaren
3. Konfigurer Pi og skriv noen enkle skript for å ta bilder og lagre resultatene
4. Bygg en prosjektboks og monter all den maskinvaren i den
5. Finn et sted å sette prosjektet der det kan se solen, og det vil ikke bli støtt eller skutt
6. Legg det der
7. Begynn å ta bilder
8. Hver dag, flytt bildene til en annen datamaskin slik at du ikke fyller opp SD -kortet
9. Begynn å lære OpenCV, slik at du kan trekke ut data fra bildene dine
10. Vent et år

Det er prosjektet i et nøtteskall. Fortsett nå å lese for ytterligere detaljer om disse trinnene.

Trinn 2: Bakgrunn

Mennesker har sett sol, måne og stjerner så lenge vi har eksistert, og dette prosjektet oppnår ikke noe som våre forfedre ikke gjorde for tusenvis av år siden. Men i stedet for å plassere en pinne i bakken og bruke steiner til å markere plasseringen av skygger på viktige tider, bruker vi en Raspberry Pi og et kamera og gjør alt fra komforten i hjemmene våre. Prosjektet ditt vil ikke være et turiststed om tusen år fra nå, men på plussiden trenger du ikke slite med å få gigantiske steinblokker på plass heller.

Den generelle ideen i dette prosjektet er å peke et kamera på et fast sted på himmelen og ta bilder på samme tid hver dag. Hvis du har et passende filter på kameraet og riktig lukkerhastighet, får du skarpe, veldefinerte bilder av solskiven. Ved å bruke disse bildene kan du sette en virtuell pinne i bakken og lære ganske mange interessante ting.

For å holde størrelsen på denne instruksen håndterbar, er alt jeg vil dekke om hvordan du bestemmer tiltingen av jordens akse og breddegraden der bildene er tatt. Hvis kommentarfeltet indikerer nok interesse, kan jeg snakke om noen av de andre tingene du kan lære av ditt solobservatorium i en artikkel som følger.

Axial Tilt Vinkelen mellom solen den dagen den er lengst nord og dagen den er lengst sør er den samme som tiltingen av jordens akse. Du har kanskje lært på skolen at dette er 23,5 grader, men nå vil du vite dette fra dine egne observasjoner og ikke bare fra en lærebok.

Nå som vi kjenner vippingen av jordens akse, trekker du den fra høyden på solbanen på årets lengste dag for å lære breddegraden til din nåværende posisjon.

Hvorfor plage? Selvfølgelig kan du finne disse verdiene mye mer presist og raskt, men hvis du er typen person som leser Instructables, vet du at det er mye tilfredshet å gjøre det selv. Å lære fakta om verden rundt deg ved å bruke mer enn noen enkle, direkte observasjoner og enkel matematikk er hele poenget med dette prosjektet.

Trinn 3: Nødvendige komponenter

Selv om du kan gjøre hele dette prosjektet med et passende dyrt og fancy kamera, har jeg ikke et av dem. Et mål for dette prosjektet var å bruke det jeg allerede hadde på hånden fra tidligere prosjekter. Dette inkluderte en Raspberry Pi, kameramodul og de fleste andre elementene som er oppført nedenfor, selv om jeg måtte gå til Amazon for noen av dem. Total kostnad hvis du må kjøpe alt vil være rundt 100 USD.

• Raspberry Pi (hvilken som helst modell vil gjøre)
• Raspberry Pi kameramodul
• Lengre båndkabel for kamera (valgfritt)
• Trådløs dongle
• Standard servo
• 5V relé
• Drevet USB -hub
• Strømlist og skjøteledning
• Ark med solfilm
• Skrapvirke, plast, HDPE, etc.
• Bølgepapp -prosjektbord

Jeg brukte også min Monoprice 3D -skriver, men det var en bekvemmelighet og ikke en nødvendighet. Med litt kreativitet fra deg kan du finne en passende måte å klare deg på uten det.

Trinn 4: Konfigurering av Raspberry Pi

Oppsett

Jeg kommer ikke til å gå i detalj her og vil anta at du er komfortabel med å installere et operativsystem på Pi og konfigurere det. Hvis ikke, er det mange ressurser på nettet for å hjelpe deg i gang.

Her er de viktigste tingene du må ta hensyn til under oppsettet.

• Sørg for at WiFi -tilkoblingen starter automatisk når Pi starter på nytt
• Aktiver ssh Prosjektet vil trolig bli installert på et feil sted, slik at du ikke vil ha det koblet til en skjerm og et tastatur. Du vil bruke ssh & scp ganske mye til å konfigurere det og kopiere bilder til en annen datamaskin.
• Sørg for å aktivere automatisk pålogging via ssh, slik at du ikke trenger å skrive inn passordet ditt manuelt hver gang
• Aktiver kameramodulen Mange kobler til kameraet, men glemmer å aktivere det
• Deaktiver GUI -modus Du kjører hodeløs, så det er ikke nødvendig å bruke systemressurser på å kjøre en X -server
• Installer gpio-pakken ved hjelp av apt-get eller lignende
• Still tidssonen til UTC Du vil at bildene dine skal være på samme tid hver dag, og du vil ikke bli kastet av sommertid. Lettest å bruke UTC.

Nå ville det være et godt tidspunkt å eksperimentere med kameramodulen. Bruk programmet 'raspistill' til å ta noen bilder. Du bør også eksperimentere med kommandolinjealternativene for å se hvordan lukkerhastigheten styres.

Maskinvaregrensesnitt

Kameramodulen har et eget dedikert båndkabelgrensesnitt, men vi bruker GPIO -pinnene til å kontrollere reléet og servoen. Vær oppmerksom på at det er to forskjellige nummerordninger som er vanlig og at det er lett å bli forvirret. Jeg foretrekker å bruke alternativet '-g' til gpio-kommandoen, slik at jeg kan bruke de offisielle PIN-numrene.

Valget av pinner kan variere hvis du har en annen modell Pi enn den jeg bruker. Se pinout -diagrammer for din spesifikke modell for referanse.

• Pin 23 - Digital ut til relé Dette signalet slår på reléet, som gir strøm til servoen
• Pin 18 - PWM til servoen Servoposisjonen styres av et pulsbreddemodulasjonssignal
• Bakken - En hvilken som helst jordnål vil være tilstrekkelig

Se de vedlagte skallskriptene for å kontrollere disse pinnene.

Merk: Opplastingsdialogboksen på dette nettstedet protesterte mot mine forsøk på å laste opp filer som endte på '.sh'. Så jeg ga nytt navn til dem med en.notsh -forlengelse, og opplastingen fungerte bra. Du vil sannsynligvis gi dem nytt navn til '.sh' før bruk.

crontab

Siden jeg vil ta bilder hvert femte minutt over en periode på omtrent 2,5 timer, brukte jeg crontab, som er et systemverktøy for å kjøre planlagte kommandoer selv når du ikke er logget inn. Syntaksen for dette er litt klumpete, så bruk søkemotor etter eget valg for å få flere detaljer. De relevante linjene fra crontab er vedlagt.

Hva disse oppføringene gjør er å) ta et bilde hvert femte minutt med solfilteret på plass og b) vent noen timer og ta et par bilder uten filter på plass.

Trinn 5: Prosjektboks

Jeg kommer virkelig til å skimp på instruksjonene i denne delen og overlate deg til din egen fantasi. Grunnen er at hver installasjon vil være annerledes og vil avhenge av hvor du installerer prosjektet og materialtyper du jobber med.

Det viktigste aspektet ved prosjektboksen er at den plasseres på en måte som den ikke beveger seg lett. Kameraet skal ikke bevege seg når du begynner å ta bilder. Ellers må du skrive programvare for å utføre bilderegistrering og stille alle bildene opp digitalt. Bedre å ha en fast plattform, slik at du ikke trenger å håndtere det problemet.

Til prosjektboksen min brukte jeg 1/2 "MDF, et lite stykke 1/4" kryssfiner, en 3D -trykt ramme for å holde kameraet i ønsket vinkel og litt hvitt bølgepapp. Det siste stykket er plassert foran den 3D -trykte rammen for å beskytte det mot direkte sollys og unngå potensielle problemer med vridning.

Jeg lot baksiden og toppen av esken være åpen i tilfelle jeg trenger å komme til elektronikken, men det har ikke skjedd ennå. Det har fungert i syv uker nå uten at jeg trenger noen reparasjoner eller justeringer fra min side.

Flyttbart filter

Den eneste delen av prosjektboksen som fortjener noen forklaring er servoen med den bevegelige armen.

Standard Raspberry Pi kameramodul fungerer ikke så bra hvis du bare retter den mot solen og tar et bilde. Stol på meg på dette … jeg prøvde.

For å få et brukbart bilde av solen må du plassere et solfilter foran linsen. Det er sannsynligvis dyre ferdige filtre som du kan kjøpe for dette, men jeg lagde min egen med et lite stykke solfilm og et stykke 1/4 HDPE med et sirkulært hull i. Solfilmen kan kjøpes fra Amazon for omtrent $ 12. I ettertid kunne jeg bestilt et mye mindre stykke og spart litt penger. Hvis du har noen gamle solformørkelsesglass som ligger ubrukt, kan du kanskje kutte en av linsene og lage et passende filter.

Få filteret til å bevege seg

Mens de fleste bildene du tar vil være med filteret på plass, vil du også få bilder på andre tider av dagen når solen er ute av ramme. Dette er det du vil bruke som bakgrunnsbilder for å legge over filtrerte solbilder. Du kan bygge det slik at du kan flytte filteret manuelt og ta disse bakgrunnsbildene, men jeg hadde en ekstra servo som lå rundt og ønsket å automatisere det trinnet.

Hva er stafetten til?

Mellom måten Pi genererer PWM-signaler og low-end servoen jeg brukte, var det tider jeg ville slå på alt og servoen ville bare sitte der og "chatte". Det vil si at den ville bevege seg frem og tilbake i veldig små trinn mens den prøvde å finne den nøyaktige posisjonen som Pi befalte. Dette førte til at servoen ble veldig varm og gjorde en irriterende støy. Så jeg bestemte meg for å bruke et relé for å gi servoen strøm bare de to gangene om dagen jeg vil ta ufiltrerte bilder. Dette krevde bruk av en annen digital utgangspinne på Pi for å gi styresignalet til reléet.

Trinn 6: Gi strøm

Det er fire elementer som trenger strøm i dette prosjektet:

1. Bringebær Pi
2. Wi-Fi-dongle (Hvis du bruker en senere modell Pi med innebygd wi-fi, er dette ikke nødvendig)
3. 5V relé
4. Servo

Viktig: Ikke prøv å koble servoen direkte fra 5V -pinnen på Raspberry Pi. Servoen trekker mer strøm enn Pi kan levere, og du vil gjøre uopprettelig skade på brettet. Bruk i stedet en egen strømkilde for å drive servoen og reléet.

Det jeg gjorde var å bruke en 5V veggvorte til å drive Pi og en annen til å drive en gammel USB -hub. Navet brukes til å koble til Wi-Fi-dongelen og for å levere strøm til relé og servo. Servoen og reléet har ikke USB -kontakter, så jeg tok en gammel USB -kabel og kuttet kontakten av enhetens ende. Deretter fjernet jeg 5V- og jordledningene og koblet dem til reléet og servoen. Dette ga disse enhetene en strømkilde uten å risikere skade på Pi.

Merk: Pi og de eksterne komponentene er ikke helt uavhengige. Fordi du har kontrollsignaler som kommer fra Pi til reléet og servoen, må du også ha en bakkelinje som går tilbake fra disse elementene til Pi. Det er også en USB-tilkobling mellom huben og Pi slik at wi-fi kan fungere. En elektroingeniør ville sannsynligvis grøsser av potensialet for jordsløyfer og andre elektriske uhell, men alt fungerer, så jeg kommer ikke til å bekymre meg om mangelen på ingeniørkunnskap.:)

Trinn 7: Sett alt sammen

Når du har koblet til alle delene, er neste trinn å montere servoen, lukkerarmen og kameraet på monteringsplaten.

På ett bilde ovenfor kan du se lukkerarmen på plass (minus solfilmen, som jeg ikke hadde tapet på ennå). Lukkerarmen er laget av 1/4 HDPE og festes ved hjelp av en av standardnavene som fulgte med servoen.

På det andre bildet kan du se baksiden av monteringsplaten og hvordan servoen og kameraet er festet. Etter at dette bildet ble tatt, redesignet jeg det hvite stykket som du ser for å få kameralinsen nærmere lukkerarmen og deretter skrevet det ut på nytt i grønt. Derfor er den hvite delen på andre bilder ikke tilstede.

Ord av forsiktighet

Kameramodulen har en veldig liten båndkabel på brettet som kobler det faktiske kameraet til resten av elektronikken. Denne lille kontakten har en irriterende tendens til å dukke ut av kontakten ofte. Når det dukker opp, rapporterer raspistill at kameraet ikke er tilkoblet. Jeg brukte mye tid på å sette ned begge ender av den større båndkabelen uten resultat før jeg skjønte hvor det virkelige problemet lå.

Etter at jeg skjønte at problemet var den lille kabelen på brettet, prøvde jeg å holde den nede med Kapton -tape, men det fungerte ikke, og til slutt tok jeg til en klatt varmt lim. Så langt har limet holdt det på plass.

Trinn 8: Valg av nettsted

Verdens store teleskoper ligger på fjelltopper i Peru, Hawaii eller på et annet relativt fjerntliggende sted. For dette prosjektet inkluderte min komplette liste over kandidatsider:

• En østvendt vinduskarme i huset mitt
• En vestvendt vinduskarme i huset mitt
• En sørvendt vinduskarme i huset mitt

Spesielt fraværende fra denne listen er Peru og Hawaii. Så gitt disse valgene, hva skulle jeg gjøre?

Det sørvendte vinduet har en vidåpning uten bygninger i sikte, men på grunn av et problem med værsetningen er det ikke optisk klart. Det vestvendte vinduet har flott utsikt over Pikes Peak og ville ha gitt en fantastisk utsikt, men det ligger i familierommet, og kona min vil kanskje ikke like at vitenskapsprosjektet mitt skal vises så fremtredende i et helt år. Det etterlot meg den østvendte utsikten som ser ut på et stort antennetårn og baksiden av den lokale Safeway. Ikke veldig pen, men det var det beste valget.

Egentlig er det viktigste å finne et sted der prosjektet ikke blir forstyrret, flyttet eller på annen måte forstyrret. Så lenge du kan få solen i rammen i en time to hver dag, vil hvilken som helst retning fungere.

Trinn 9: Ta bilder

Skyet himmel

Jeg bor tilfeldigvis et sted som får mye sol hvert år, noe som er bra siden skyer virkelig ødelegger bildene. Hvis det er litt overskyet, kommer solen frem som en lysegrønn disk i stedet for den veldefinerte oransje disken jeg får på en skyfri dag. Hvis det er ganske overskyet, vises ingenting på bildet.

Jeg har begynt å skrive bildebehandlingsprogramvare for å lindre disse problemene, men koden er ikke klar ennå. Inntil da må jeg bare jobbe med vær og vind.

Sikkerhetskopier dataene dine

Med kameraet jeg bruker og antall bilder jeg tar, genererer jeg omtrent 70 MB bilder hver dag. Selv om mikro-SD-kortet på Pi var stort nok til å holde et års data, ville jeg ikke stole på det. Hvert par dager bruker jeg scp til å kopiere de siste dataene til skrivebordet mitt. Der ser jeg på bildene for å sikre at de er ok og at det ikke skjedde noe rart. Deretter kopierer jeg alle filene til NAS -en min slik at jeg har to uavhengige kopier av dataene. Etter det går jeg tilbake til Pi og sletter de originale filene.

Trinn 10: Analemma (eller … en astronomisk stor figur åtte)

I tillegg til å bestemme aksial tilt og breddegrad, kan det å ta bilder på samme tid hver dag også gi oss en veldig kul utsikt over Solens vei i løpet av et år.

Hvis du noen gang har sett filmen Cast Away with Tom Hanks, husker du kanskje scenen i hulen der han markerte solens vei over tid, og den ble til åtte. Da jeg så den scenen første gang, ønsket jeg å lære mer om dette fenomenet, og bare sytten år senere er jeg endelig i gang med å gjøre nettopp det!

Denne formen kalles et analemma, og det er resultatet av vippingen av jordens akse og det faktum at jordens bane er elliptisk og ikke en perfekt sirkel. Å ta en på film er like enkelt som å sette opp et kamera og ta et bilde på samme tid hver dag. Selv om det er mange veldig gode bilder av analemma på nettet, er en av tingene vi vil gjøre i dette prosjektet å lage våre egne. For mye mer om analemma og hvordan man kan være midtpunktet i en ganske nyttig almanakk, se denne artikkelen.

Før digital fotografering kom, krevde det faktiske fotografiske ferdigheter å ta et bilde av et analemma, siden du må nøye ta flere eksponeringer på samme film. Raspberry Pi -kameraet har åpenbart ikke film, så i stedet for dyktighet og tålmodighet skal vi bare kombinere flere digitale bilder for å få samme effekt.

Trinn 11: Hva er neste?

Nå som den lille kameraroboten er på plass og tar trofaste bilder hver dag, hva så? Som det viser seg, er det fortsatt ganske mange ting å gjøre. Vær oppmerksom på at de fleste av disse vil innebære å skrive python og bruke OpenCV. Jeg liker python og har lyst på en unnskyldning for å lære OpenCV, så det er en vinn-vinn for meg!

1. Registrer automatisk grumsete dager Hvis det er for overskyet, gir solfilmen og kort lukkerhastighet et ugjennomsiktig bilde. Jeg vil automatisk oppdage den tilstanden og deretter enten øke lukkerhastigheten eller flytte solfilteret ut av veien.
2. Bruk bildebehandling for å finne solen selv i grumsete bilder Jeg mistenker at det er mulig å finne midtpunktet til solen selv om skyer er i veien.
3. Overlegg solskiver på et klart bakgrunnsbilde for å danne et spor av solens vei i løpet av dagen
4. Lag et analemma Samme grunnleggende teknikk som det siste trinnet, men bruk bilder tatt på samme tid hver dag
5. Mål kameraets vinkeloppløsning (grader/piksler) Jeg trenger dette for mine senere beregninger

Det er mer enn dette, men det vil holde meg opptatt en liten stund.

Takk for at du holdt meg til slutten. Jeg håper du likte denne prosjektbeskrivelsen og at den motiverer deg til å ta fatt på ditt eget neste prosjekt!