Solar Observatory: 11 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Mikä on maan akselin kallistus? Millä leveysasteella olen?

Jos haluat vastauksen nopeasti, käänny joko Googleen tai älypuhelimesi GPS -sovellukseen. Mutta jos sinulla on Raspberry Pi, kameramoduuli ja noin vuosi tehdäksesi joitain havaintoja, voit määrittää vastaukset näihin kysymyksiin itse. Asettamalla kameran, jossa on aurinkosuodatin kiinteään paikkaan ja käyttämällä Pi -kuvaa ottamaan kuvia samaan aikaan joka päivä, voit kerätä paljon tietoa auringon polusta taivaan läpi ja laajentamalla maapallon kiertotietä aurinko. Tässä Instructable -ohjelmassa näytän sinulle, kuinka tein oman aurinkokeskuksen alle 100 dollarilla.

Ennen kuin menemme paljon pidemmälle, minun on kuitenkin huomautettava, että olen vasta kaksi kuukautta vuoden mittaisen kokeiluni kanssa, joten en voi sisällyttää lopullisia tuloksia. Voin kuitenkin jakaa kokemukseni tämän projektin rakentamisesta ja toivottavasti antaa teille käsityksen siitä, kuinka rakentaa oma.

Vaikka tämä projekti ei ole ollenkaan vaikea, se tarjoaa mahdollisuuden harjoitella useita erilaisia taitoja. Vähintään sinun on kyettävä kytkemään Raspberry Pi kameraan ja servoon, ja sinun on voitava tehdä jonkin verran ohjelmistokehitystä tietojen poimimiseksi ottamistasi kuvista. Käytin myös peruspuuntyökaluja ja 3D -tulostinta, mutta ne eivät ole ratkaisevia tässä projektissa.

Kuvaan myös pitkän aikavälin tiedonkeruutyöni ja sen, miten OpenCV: n avulla muutan satoja kuvia numeeriseksi dataksi, joka voidaan analysoida laskentataulukon tai valitsemasi ohjelmointikielen avulla. Bonuksena käytämme myös taiteellisia puoliamme ja katsomme mielenkiintoisia visuaalisia kuvia.

Vaihe 1: Tldr; Lyhyet ohjeet

Tämä Instructable on hieman pitkällä sivulla, joten pääset alkuun, tässä on paljaat luut, ilman ylimääräisiä yksityiskohtia annettuja ohjeita.

1. Hanki Raspberry Pi, kamera, servo, rele, aurinkokalvo, seinä syyliä ja erilaisia laitteita
2. Liitä kaikki laitteet
3. Määritä Pi ja kirjoita yksinkertaisia skriptejä kuvien ottamiseen ja tulosten tallentamiseen
4. Rakenna projektilaatikko ja asenna siihen kaikki laitteistot
5. Etsi paikka, jossa projekti voidaan sijoittaa paikkaan, jossa se voi nähdä auringon, eikä se törmää tai hyökkää
6. Laita se sinne
7. Aloita kuvien ottaminen
8. Siirrä kuvat muutaman päivän välein toiseen tietokoneeseen, jotta et täytä SD -korttia
9. Aloita OpenCV: n oppiminen, jotta voit poimia tietoja kuvistasi
10. Odota vuosi

Siinäpä projekti pähkinänkuoressa. Jatka nyt lukemista saadaksesi lisätietoja näistä vaiheista.

Vaihe 2: Taustaa

Ihmiset ovat katsoneet aurinkoa, kuuta ja tähtiä niin kauan kuin olemme olleet ympärillämme, eikä tämä projekti saa aikaan mitään sellaista, mitä esi -isämme eivät tehneet tuhansia vuosia sitten. Mutta sen sijaan, että asetamme tikun maahan ja käytämme kiviä varjojen sijaintien merkitsemiseen tärkeimpinä aikoina, käytämme Raspberry Pi: tä ja kameraa ja teemme kaiken kodistamme. Projektisi ei ole matkailukohde tuhannen vuoden kuluttua, mutta plussan puolella sinun ei myöskään tarvitse kamppailla saadaksesi jättiläisiä lohkareita paikalleen.

Tämän projektin yleinen idea on osoittaa kamera kiinteään paikkaan taivaalla ja ottaa kuvia samaan aikaan joka päivä. Jos kamerassa on sopiva suodatin ja oikea suljinnopeus, saat teräviä, tarkkoja kuvia auringon levystä. Näiden kuvien avulla voit laittaa virtuaalisen tikun maahan ja oppia muutamia mielenkiintoisia asioita.

Jotta pidän tämän Instructable -koon hallittavana, käsittelen vain sitä, miten määritetään Maan akselin kallistus ja leveysaste, jolla kuvat otetaan. Jos kommenttiosio osoittaa tarpeeksi kiinnostusta, voin puhua joistakin muista asioista, joita voit oppia aurinkokeskuksestasi.

Aksiaalinen kallistus Auringon kulma sinä päivänä, jona se on kauimpana pohjoisessa, ja päivä, jolloin se on kauimpana etelään, on sama kuin maan akselin kallistus. Olet ehkä oppinut koulussa, että tämä on 23,5 astetta, mutta nyt tiedät tämän omien havaintojesi perusteella eikä vain oppikirjasta.

Leveysaste Nyt kun tiedämme maan akselin kallistuksen, vähennä se auringon polun korkeudesta vuoden pisin päivä oppiaksesi nykyisen sijaintisi leveysasteen.

Miksi vaivautua? Ilmeisesti voisit löytää nämä arvot paljon tarkemmin ja nopeammin, mutta jos olet sellainen henkilö, joka lukee Instructablesia, tiedät, että olet tyytyväinen siihen, että teet sen itse. Tämän projektin tarkoitus on oppia tosiasioita ympäröivästä maailmasta käyttämällä vain yksinkertaisia, suoria havaintoja ja suoraviivaista matematiikkaa.

Vaihe 3: Tarvittavat komponentit

Vaikka voisit tehdä tämän koko projektin sopivan kalliilla ja hienolla kameralla, minulla ei ole yhtä niistä. Tämän projektin tavoitteena oli hyödyntää sitä, mitä minulla oli jo käsillä aiemmista projekteista. Tähän sisältyi Raspberry Pi, kameramoduuli ja useimmat muut alla luetellut kohteet, vaikka jouduin menemään Amazoniin muutamia niistä. Kokonaiskustannukset, jos joudut ostamaan kaiken, ovat noin 100 USD.

• Raspberry Pi (mikä tahansa malli sopii)
• Raspberry Pi -kameramoduuli
• Pidempi nauhakaapeli kameralle (valinnainen)
• Langaton dongle
• Vakio servo
• 5V rele
• Toimiva USB -keskitin
• Jatkojohto ja jatkojohto
• Arkki aurinkokalvoa
• Sahatavara, muovi, HDPE jne
• Aaltopahvilaatta

Käytin myös Monoprice 3D -tulostintani, mutta se oli kätevyys eikä välttämättömyys. Pienen luovuuden avulla voit keksiä sopivan tavan pärjätä ilman sitä.

Vaihe 4: Määritä Raspberry Pi

Perustaa

En aio mennä yksityiskohtaisesti tänne ja oletan, että olet tyytyväinen OS: n asentamiseen Pi: hen ja sen määrittämiseen. Jos ei, verkossa on paljon resursseja, joiden avulla pääset alkuun.

Tässä on tärkeimmät asiat, joihin sinun on kiinnitettävä huomiota asennuksen aikana.

• Varmista, että WiFi -yhteys käynnistyy automaattisesti, kun Pi käynnistyy uudelleen
• Ota ssh käyttöön Käytät ssh & scp: tä melko vähän sen määrittämiseen ja kuvien kopioimiseen toiseen tietokoneeseen.
• Muista ottaa automaattinen kirjautuminen käyttöön ssh: n kautta, jotta sinun ei tarvitse syöttää salasanaa manuaalisesti joka kerta
• Ota kameramoduuli käyttöön Monet ihmiset kytkevät kameran pistorasiaan, mutta unohtavat ottaa sen käyttöön
• Poista GUI -tila käytöstä Käytät päättä, joten järjestelmäresursseja ei tarvitse käyttää X -palvelimen käyttämiseen
• Asenna gpio-paketti käyttämällä apt-getia tai vastaavaa
• Aikavyöhykkeen asettaminen UTC: ksi Haluat kuvasi samaan aikaan joka päivä etkä halua, että kesäaika heittää sinut pois. Helpoin käyttää vain UTC: tä.

Nyt olisi hyvä aika kokeilla kameramoduulia. Käytä raspistill -ohjelmaa muutaman kuvan ottamiseen. Sinun tulisi myös kokeilla komentorivivalintoja nähdäksesi, kuinka suljinaikaa säädetään.

Laitteistorajapinnat

Kameramoduulissa on oma nauhakaapeliliitäntä, mutta käytämme GPIO -nastoja releen ja servon ohjaamiseen. Huomaa, että käytössä on kaksi erilaista numerointimallia, ja se on helppo sekoittaa. Käytän mieluummin gpio-komennon vaihtoehtoa -g, jotta voin käyttää virallisia PIN-numeroita.

Valitsemasi nastat voivat vaihdella, jos sinulla on eri malli Pi kuin minulla. Katso tietyn mallisi pinout -kaavioista.

• Nasta 23 - Digitaalinen lähtö releelle Tämä signaali kytkee releen päälle, joka syöttää virtaa servolle
• Nasta 18 - PWM servolle Servoasentoa ohjataan pulssileveyden modulaatiosignaalilla
• Maadoitus - Mikä tahansa maadoitustappi riittää

Katso liitteenä olevat komentosarjat näiden nastojen hallitsemiseksi.

Huomautus: Tämän sivuston latausikkuna vastusti yritystäni ladata tiedostoja, jotka päättyivät.sh -tiedostoon. Joten nimesin ne uudelleen.notsh -laajennuksella ja lataus toimi hyvin. Haluat luultavasti nimetä ne uudelleen.sh -muotoon ennen käyttöä.

crontab

Koska haluan ottaa kuvia viiden minuutin välein noin 2,5 tunnin aikana, käytin crontabia, joka on järjestelmäapuohjelma ajoitettujen komentojen suorittamiseen, vaikka et olisi kirjautunut sisään. Tämän syntaksi on hieman hankala, joten käytä hakukonetta saadaksesi lisätietoja. Crontabin asianomaiset rivit ovat liitteenä.

Nämä merkinnät ovat: a) ottaa kuva viiden minuutin välein aurinkosuodatin paikallaan ja b) odottaa muutama tunti ja ottaa pari kuvaa ilman suodatinta.

Vaihe 5: Project Box

Aion todella säästää tämän osion ohjeita ja jättää sinut oman mielikuvituksenne varaan. Syy on se, että jokainen asennus on erilainen ja riippuu projektin asennuspaikasta ja materiaalityypeistä, joiden kanssa työskentelet.

Projektiruudun tärkein näkökohta on, että se on sijoitettu siten, että se ei liiku helposti. Kameran ei pitäisi liikkua, kun alat ottaa kuvia. Muussa tapauksessa sinun on kirjoitettava ohjelmisto kuvien rekisteröimiseksi ja järjestettävä kaikki kuvat digitaalisesti. On parempi olla kiinteä alusta, jotta sinun ei tarvitse käsitellä tätä ongelmaa.

Projektikotelossani käytin 1/2 "MDF -levyä, pienen palan 1/4" vaneria, 3D -tulostettua kehystä kameran pitämiseksi halutussa kulmassa ja valkoista aaltopahvia. Viimeinen kappale sijoitetaan 3D -tulostetun kehyksen eteen suojaamaan sitä suoralta auringonvalolta ja välttämään mahdollisia vääntymisongelmia.

Jätin laatikon taka- ja yläosan auki siltä varalta, että joudun pääsemään elektroniikan pariin, mutta sitä ei ole vielä tapahtunut. Se on toiminut nyt seitsemän viikkoa tarvitsematta korjauksia tai parannuksia.

Siirrettävä suodatin

Ainoa osa projektilaatikosta, joka ansaitsee selitystä, on servo, jossa on siirrettävä varsi.

Vakio Raspberry Pi -kameramoduuli ei toimi niin hyvin, jos vain osoitat sen aurinkoon ja otat kuvan. Luota minuun tässä… Yritin.

Saadaksesi käyttökelpoisen kuvan auringosta sinun on asetettava aurinkosuodatin linssin eteen. On luultavasti kalliita esivalmistettuja suodattimia, joita voit ostaa tätä varten, mutta tein omani käyttämällä pientä palaa aurinkokalvoa ja 1/4 HDPE-kappaletta, jossa on pyöreä reikä. Aurinkokalvo voidaan ostaa Amazon noin $ 12. Jälkikäteen ajateltuna olisin voinut tilata paljon pienemmän palan ja säästää vähän rahaa. Jos sinulla on vanhoja auringonpimennyslaseja käyttämättöminä, voit ehkä leikata yhden linssin ja tehdä sopivan suodattimen.

Suodattimen siirtäminen

Vaikka suurin osa ottamistasi kuvista on suodatin paikallaan, haluat myös saada kuvia muina vuorokauden aikoina, kun aurinko on kehyksen ulkopuolella. Näitä kuvia käytetään taustakuvina suodatettujen auringon kuvien päällekkäin. Voit rakentaa sen niin, että siirrät suodatinta manuaalisesti ja otat nämä taustakuvat, mutta minulla oli ylimääräinen servo ja halusin automatisoida tämän vaiheen.

Mihin rele on tarkoitettu?

Pii: n PWM-signaalien tuottamisen ja käyttämäni huonolaatuisen servon välillä oli aikoja, jolloin viritin kaiken päälle ja servo vain istui siellä ja "jutteli". Toisin sanoen se liikkuisi edestakaisin hyvin pienin askelin, kun se yritti löytää tarkan paikan, jota Pi käski. Tämä aiheutti servon kuumenemisen ja aiheutti ärsyttävää ääntä. Joten päätin käyttää relettä virran syöttämiseksi servolle vain kaksi kertaa päivässä, jolloin haluan ottaa suodattamattomia kuvia. Tämä edellytti toisen Pi: n digitaalisen lähtönastan käyttöä ohjaussignaalin tuottamiseksi releelle.

Vaihe 6: Virran tuottaminen

Tässä projektissa on neljä voimaa tarvitsevaa kohdetta:

1. Raspberry Pi
2. Wi-Fi-dongle (jos käytät uudempaa mallia Pi, jossa on sisäänrakennettu Wi-Fi, tämä ei ole tarpeen)
3. 5V rele
4. Servo

Tärkeää: Älä yritä käyttää servoa suoraan Raspberry Pi: n 5 V: n nastasta. Servo imee enemmän virtaa kuin Pi pystyy syöttämään ja teet peruuttamatonta haittaa levylle. Käytä sen sijaan erillistä virtalähdettä servon ja releen virtalähteeksi.

Mitä tein, käytin yhtä 5 V: n seinäsyystä Pi: n virtalähteenä ja toista vanhan USB -keskittimen virtalähteenä. Napaa käytetään Wi-Fi-sovittimen kytkemiseen sekä virran syöttämiseen releeseen ja servoon. Servossa ja releessä ei ole USB -liittimiä, joten otin vanhan USB -kaapelin ja katkaisin liittimen laitteen päästä. Sitten irrotin 5V- ja maadoitusjohdot ja liitin ne releeseen ja servoon. Tämä tarjosi virtalähteen näille laitteille vaarantamatta Pi: n vaurioitumista.

Huomautus: Pi ja ulkoiset komponentit eivät ole täysin riippumattomia. Koska sinulla on ohjaussignaaleja Pi: ltä releelle ja servolle, sinulla on oltava myös maajohto, joka palaa näistä kohteista Pi: hen. Keskittimen ja Pi: n välillä on myös USB-yhteys, jotta Wi-Fi voi toimia. Sähköinsinööri luultavasti vapisi mahdollisista maasilmukoista ja muista sähköisistä väärinkäytöksistä, mutta kaikki toimii, joten en aio huolehtia tekniikan huippuosaamisen puutteesta.:)

Vaihe 7: Yhdistä kaikki

Kun olet yhdistänyt kaikki osat, seuraava vaihe on asentaa servo, sulkuvarsi ja kamera asennuslevyyn.

Yllä olevassa kuvassa näet sulkimen varren asennossa (miinus aurinkokalvo, jota en ollut vielä teipannut). Suljinvarsi on valmistettu 1/4 HDPE: stä ja kiinnitetään käyttämällä jotain servon mukana toimitettua vakiokeskitintä.

Toisessa kuvassa näkyy asennuslevyn takaosa ja servon ja kameran kiinnitys. Tämän kuvan ottamisen jälkeen suunnittelin valkoisen kappaleen uudelleen, jotta kameran linssi olisi lähempänä suljinvartta, ja tulostin sen sitten uudelleen vihreäksi. Siksi muissa kuvissa valkoinen osa ei ole läsnä.

Varoituksen sana

Kameramoduulissa on erittäin pieni pieni nauhakaapeli, joka yhdistää kameran muuhun elektroniikkaan. Tällä pienellä liittimellä on ärsyttävä taipumus ponnahtaa pistorasiasta usein. Kun se ponnahtaa ulos, raspistill ilmoittaa, että kameraa ei ole kytketty. Vietin paljon aikaa hedelmättömästi uudelleen isomman nauhakaapelin molemmat päät ennen kuin tajusin, missä todellinen ongelma oli.

Kun ymmärsin, että ongelma oli levyn pieni kaapeli, yritin pitää sitä alhaalla Kapton -teipillä, mutta se ei toiminut ja vihdoin turvauduin kuumaan liimaan. Toistaiseksi liima on pitänyt sen paikallaan.

Vaihe 8: Sivuston valinta

Maailman suuret kaukoputket sijaitsevat Perun, Havaijin tai jonkin muun suhteellisen syrjäisen vuoren huipulla. Tämän projektin täydellinen luettelo ehdokaspaikoistani sisälsi:

• Kotini itään päin oleva ikkunalauta
• Talossani länteen päin oleva ikkunalauta
• Kotiini etelään päin oleva ikkunalauta

Tästä luettelosta puuttuvat erityisesti Peru ja Havaiji. Joten mitä minun oli tehtävä näiden valintojen perusteella?

Etelään päin olevassa ikkunassa on laaja aukko, jossa ei ole rakennuksia näkyvissä, mutta säätiivisteen ongelman vuoksi se ei ole optisesti selkeä. Länteen päin olevassa ikkunassa on upea näköala Pikes Peakille, ja se olisi tehnyt upean näkymän, mutta se sijaitsee perhehuoneessa, ja vaimoni ei ehkä pidä siitä, että tiedeprojektini esitetään niin näkyvästi koko vuoden ajan. Siitä jäi minulle itään päin oleva näkymä, josta on näkymät suurelle antennitorniin ja paikallisen Safewayn takaosaan. Ei kovin kaunis, mutta se oli paras valinta.

Oikeastaan tärkeintä on löytää paikka, jossa projektia ei horjuteta, siirretä tai muutoin häiritä. Niin kauan kuin saat auringon kehykseen tunnin kaksi päivässä, mikä tahansa suunta toimii.

Vaihe 9: Kuvien ottaminen

Pilvinen taivas

Satun asumaan jonnekin, joka saa paljon auringonpaistetta joka vuosi, mikä on hyvä, koska pilvet todella tuhoavat kuvia. Jos on hieman pilvistä, aurinko tulee vaaleanvihreänä levynä eikä selvästi määriteltynä oranssina levynä, jonka saan pilvisenä päivänä. Jos on melko pilvistä, kuvassa ei näy mitään.

Olen alkanut kirjoittaa joitain kuvankäsittelyohjelmia näiden ongelmien helpottamiseksi, mutta koodi ei ole vielä valmis. Siihen asti minun on vain työskenneltävä säähäiriöiden ympärillä.

Varmuuskopioi tietosi

Käyttämäni kameran ja otettujen kuvien lukumäärän avulla tuotan noin 70 Mt kuvia päivittäin. Vaikka Pi: n micro-SD-kortti olisi tarpeeksi suuri, jotta siihen mahtuisi vuoden dataa, en luottaisi siihen. Muutaman päivän välein kopioin viimeisimmät tiedot työpöydälleni scp: n avulla. Siellä katson kuvia varmistaakseni, että ne ovat kunnossa ja ettei mitään outoa tapahtunut. Sitten kopioin kaikki tiedostot NAS -laitteeseeni niin, että minulla on kaksi itsenäistä kopiota tiedoista. Sen jälkeen palaan Pi: hen ja poistan alkuperäiset tiedostot.

Vaihe 10: Analemma (tai… tähtitieteellisesti suuri kuvio kahdeksan)

Aksiaalisen kallistuksen ja leveysasteen määrittämisen lisäksi kuvien ottaminen joka päivä samaan aikaan voi myös tarjota meille erittäin viileän näkymän auringon polusta vuoden aikana.

Jos olet koskaan nähnyt elokuvan Cast Away Tom Hanksin kanssa, saatat muistaa luolan kohtauksen, jossa hän merkitsi auringon polun ajan mittaan ja teki luvusta kahdeksan. Kun näin tämän kohtauksen ensimmäisen kerran, halusin oppia lisää tästä ilmiöstä, ja vain seitsemäntoista vuoden kuluttua olen vihdoin alkanut tehdä juuri sitä!

Tätä muotoa kutsutaan analemmaksi ja se on seurausta Maan akselin kallistuksesta ja siitä, että Maan kiertorata on elliptinen eikä täydellinen ympyrä. Yhden kuvan ottaminen filmille on yhtä helppoa kuin kameran asettaminen ja kuvan ottaminen samaan aikaan joka päivä. Vaikka verkossa on paljon erittäin hyviä kuvia analemmasta, yksi hankkeessa tekemistämme on luoda oma. Jos haluat lisätietoja analemmasta ja siitä, kuinka yksi voi olla melko hyödyllisen almanakin keskipiste, katso tämä artikkeli.

Ennen digitaalisen valokuvauksen tuloa analemman kuvan ottaminen vaati todellisia valokuvaustaitoja, koska sinun olisi otettava huolellisesti useita valotuksia samalle elokuvalle. Ilmeisesti Raspberry Pi -kamerassa ei ole filmiä, joten taidon ja kärsivällisyyden sijasta yhdistämme useita digitaalisia kuvia saman vaikutuksen saamiseksi.

Vaihe 11: Mitä seuraavaksi?

Nyt kun pieni kamera-robotti on paikallaan ja ottaa uskollisesti kuvia joka päivä, mitä seuraavaksi? Kuten käy ilmi, on vielä paljon tehtävää. Huomaa, että useimmat näistä sisältävät pythonin kirjoittamisen ja OpenCV: n käytön. Pidän pythonista ja olen halunnut tekosyyn oppia OpenCV: n, joten se on win-win minulle!

1. Tunnista automaattisesti pilviset päivät Jos on liian pilvistä, aurinkokalvo ja lyhyt suljinaika muodostavat läpinäkymättömän kuvan. Haluan havaita tämän tilan automaattisesti ja sitten joko lisätä suljinnopeutta tai siirtää aurinkosuodattimen pois tieltä.
2. Käytä kuvankäsittelyä auringon etsimiseen jopa pilvisissä kuvissa
3. Aseta aurinkokiekot selkeälle taustakuvalle muodostaaksesi jäljen auringon polusta päivän aikana
4. Luo analyysi Sama perustekniikka kuin viimeinen vaihe, mutta käytä joka päivä samaan aikaan otettuja kuvia
5. Mittaa kameran kulmaresoluutio (astetta/pikseliä). Tarvitsen tätä myöhempiin laskelmiini

On enemmän kuin tämä, mutta se pitää minut kiireisenä jonkin aikaa.

Kiitos, että pysyit kanssani loppuun asti. Toivon, että pidit tästä projektikuvauksesta ja että se motivoi sinua ryhtymään omaan seuraavaan projektiin!