Saulės observatorija: 11 žingsnių (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:48

Koks yra Žemės ašies pakreipimas? Kokioje platumoje esu?

Jei norite greitai gauti atsakymą, naudokitės „Google“arba GPS programa išmaniajame telefone. Bet jei turite „Raspberry Pi“, fotoaparato modulį ir maždaug metus laiko atlikti keletą pastebėjimų, atsakymus į šiuos klausimus galite nustatyti patys. Nustatę fotoaparatą su saulės filtru fiksuotoje vietoje ir fotografuodami naudodami „Pi“kiekvieną dieną tuo pačiu metu, galite surinkti daug duomenų apie saulės kelią danguje ir, be to, Žemės kelią aplink saulė. Šioje instrukcijoje aš jums parodysiu, kaip aš padariau savo saulės observatoriją už mažiau nei 100 USD.

Prieš eidami daug toliau, turėčiau atkreipti dėmesį į tai, kad mano metus trunkantis eksperimentas yra tik du mėnesiai, todėl negalėsiu įtraukti galutinių rezultatų. Tačiau galiu pasidalinti savo patirtimi kuriant šį projektą ir, tikiuosi, duosiu idėją, kaip sukurti savo.

Nors šis projektas nėra sunkus, jis suteikia galimybę įgyti įvairių įgūdžių. Bent jau turite sugebėti prijungti „Raspberry Pi“prie fotoaparato ir servo, taip pat turėsite sugebėti atlikti tam tikrą programinės įrangos kūrimo lygį, kad gautumėte duomenis iš padarytų nuotraukų. Aš taip pat naudojau pagrindinius medžio apdirbimo įrankius ir 3D spausdintuvą, tačiau jie nėra svarbūs šiam projektui.

Taip pat aprašysiu ilgalaikes duomenų rinkimo pastangas ir tai, kaip aš panaudosiu „OpenCV“, kad šimtus nuotraukų paversčiau skaitmeniniais duomenimis, kuriuos galima analizuoti naudojant skaičiuoklę arba jūsų pasirinktą programavimo kalbą. Kaip premiją, mes taip pat pasinaudosime savo menine puse ir pažvelgsime į įdomius vaizdinius vaizdus.

1 žingsnis: Tldr; Trumpos instrukcijos

Ši „Instructable“yra šiek tiek ilgojoje pusėje, todėl norint pradėti, čia yra pliki kaulai, jokios papildomos detalės nepateikė instrukcijų.

1. Gaukite „Raspberry Pi“, fotoaparatą, servo, relę, saulės plėvelę, sienines karpas ir įvairią techninę įrangą
2. Prijunkite visą tą aparatūrą
3. Konfigūruokite „Pi“ir parašykite keletą paprastų scenarijų, kaip fotografuoti ir išsaugoti rezultatus
4. Sukurkite projekto dėžutę ir įdėkite į ją visą aparatūrą
5. Raskite vietą, kur pastatyti projektą, kad jis galėtų matyti saulę, ir jis nebus sutrenktas ar stumdomas
6. Įdėkite jį ten
7. Pradėkite fotografuoti
8. Kas kelias dienas perkelkite nuotraukas į kitą kompiuterį, kad neužpildytumėte SD kortelės
9. Pradėkite mokytis „OpenCV“, kad galėtumėte išgauti duomenis iš savo vaizdų
10. Palaukite metus

Trumpai tariant, toks projektas. Dabar toliau skaitykite, kad gautumėte papildomos informacijos apie šiuos veiksmus.

2 žingsnis: fonas

Žmonės stebėjo saulę, mėnulį ir žvaigždes, kol buvome šalia, ir šis projektas nepasiekia nieko, ko mūsų protėviai nedarė prieš tūkstančius metų. Tačiau užuot padėję lazdą į žemę ir naudodami akmenis šešėliams žymėti svarbiausiais laikais, mes naudosime „Raspberry Pi“ir fotoaparatą ir viską padarysime patogiai savo namuose. Jūsų projektas nebus turistų lankomas objektas po tūkstančio metų, tačiau, be to, jums taip pat nereikės stengtis, kad į vietą patektų milžiniški rieduliai.

Bendra šio projekto idėja yra nukreipti fotoaparatą į tam tikrą dangaus vietą ir fotografuoti kiekvieną dieną tuo pačiu metu. Jei fotoaparate yra tinkamas filtras ir tinkamas užrakto greitis, turėsite aiškius, aiškiai apibrėžtus saulės disko vaizdus. Naudodamiesi šiomis nuotraukomis, galite įdėti virtualią lazdą į žemę ir sužinoti daug įdomių dalykų.

Norėdami išlaikyti šio „Instructable“dydžio valdymą, aptarsiu tik tai, kaip nustatyti Žemės ašies pakreipimą ir platumą, kurioje daromos nuotraukos. Jei komentarų skiltyje nurodomas pakankamas susidomėjimas, tolesniame straipsnyje galiu pakalbėti apie kai kuriuos kitus dalykus, kuriuos galite išmokti iš savo saulės observatorijos.

Ašinis pakreipimas Kampas tarp saulės tą dieną, kai ji yra toliausiai į šiaurę, ir dienos, kai ji yra toliausiai į pietus, yra tokia pati kaip Žemės ašies pakreipimas. Galbūt mokykloje sužinojote, kad yra 23,5 laipsnio, bet dabar tai žinosite iš savo pastebėjimų, o ne vien iš vadovėlio.

Dabar, kai žinome Žemės ašies pakreipimą, atimkite tai iš saulės kelio pakilimo ilgiausią metų dieną, kad sužinotumėte savo dabartinės vietos platumą.

Kodėl nerimauti? Akivaizdu, kad šias vertybes galėtumėte rasti daug tiksliau ir greičiau, bet jei esate tokio tipo žmogus, kuris skaito „Instructables“, žinote, kad tai daro labai patenkinta. Šio projekto esmė yra sužinoti faktus apie jus supantį pasaulį, naudojant tik paprastus, tiesioginius stebėjimus ir tiesioginę matematiką.

3 žingsnis: reikalingi komponentai

Nors visą šį projektą galėtumėte atlikti su pakankamai brangia ir įmantria kamera, aš neturiu nė vieno iš jų. Šio projekto tikslas buvo pasinaudoti tuo, ką jau turėjau iš ankstesnių projektų. Tai apėmė „Raspberry Pi“, fotoaparato modulį ir daugumą kitų žemiau išvardytų elementų, nors keletą jų turėjau aplankyti „Amazon“. Bendra kaina, jei turėsite nusipirkti viską, bus apie 100 USD.

• Raspberry Pi (tinka bet kuris modelis)
• „Raspberry Pi“kameros modulis
• Ilgesnis juostinis kabelis fotoaparatui (neprivaloma)
• Belaidis raktas
• Standartinis servo
• 5V relė
• Maitinamas USB šakotuvas
• Maitinimo blokas ir ilgintuvas
• Saulės plėvelės lapas
• Medienos laužas, plastikas, HDPE ir kt
• Gofruota projekto lenta

Aš taip pat pasinaudojau savo „Monoprice“3D spausdintuvu, tačiau tai buvo patogumas, o ne būtinybė. Šiek tiek kūrybiškumo iš jūsų pusės leis jums sugalvoti tinkamą būdą apsieiti be to.

4 žingsnis: Raspberry Pi konfigūravimas

Sąranka

Aš čia nesileisiu į detales ir manysiu, kad jums patogu įdiegti OS „Pi“ir ją konfigūruoti. Jei ne, žiniatinklyje yra daug išteklių, kurie padės jums pradėti.

Čia yra svarbiausi dalykai, į kuriuos reikia atkreipti dėmesį atliekant sąranką.

• Įsitikinkite, kad „Wi -Fi“ryšys paleidžiamas automatiškai, kai „Pi“paleidžiamas iš naujo
• Projektas tikriausiai bus įdiegtas atokioje vietoje, todėl jo neprikabinsite prie monitoriaus ir klaviatūros. Norėdami konfigūruoti ir kopijuoti nuotraukas į kitą kompiuterį, naudosite ssh & scp.
• Būtinai įjunkite automatinį prisijungimą per ssh, kad nereikėtų kiekvieną kartą įvesti slaptažodžio rankiniu būdu
• Daug žmonių įjungia fotoaparatą, bet pamiršta jį įjungti
• Jūs išjungsite GUI režimą Jūs veiksite be galvos, todėl nereikės išleisti sistemos išteklių valdant X serverį
• Įdiekite „gpio“paketą naudodami apt-get ar panašų
• Laiko juostos nustatymas į UTC Norite, kad nuotraukos būtų rodomos kiekvieną dieną tuo pačiu laiku ir nenorite, kad vasaros laikas išmestų. Lengviausia naudoti tik UTC.

Dabar būtų tinkamas laikas eksperimentuoti su fotoaparato moduliu. Norėdami padaryti keletą nuotraukų, naudokite programą „raspistill“. Taip pat turėtumėte eksperimentuoti naudodami komandinės eilutės parinktis, kad pamatytumėte, kaip valdomas užrakto greitis.

Techninės įrangos sąsajos

Fotoaparato modulis turi atskirą juostinio kabelio sąsają, tačiau mes naudojame GPIO kaiščius, kad valdytume relę ir servo. Atminkite, kad dažniausiai naudojamos dvi skirtingos numeravimo schemos ir jas lengva supainioti. Norėčiau naudoti „gpio“parinktį komandai „gpio“, kad galėčiau naudoti oficialius PIN kodus.

Jūsų kaiščių pasirinkimas gali skirtis, jei turite kitokį Pi modelį nei tas, kurį naudoju. Peržiūrėkite konkretaus modelio „pinout“diagramas.

• 23 kaištis - Skaitmeninis išėjimas į relę Šis signalas įjungia relę, kuri tiekia maitinimą servo
• 18 kaištis - PWM prie servo Servo padėtis kontroliuojama impulso pločio moduliavimo signalu
• Įžeminimas - pakaks bet kokio įžeminimo kaiščio

Žiūrėkite pridėtus apvalkalo scenarijus, kaip valdyti šiuos kaiščius.

Pastaba: šios svetainės įkėlimo dialogas prieštaravo mano bandymams įkelti failus, kurie baigėsi „.sh“. Taigi aš juos pervadinau „.notsh“plėtiniu ir įkėlimas veikė gerai. Tikriausiai prieš naudojimą norėsite juos pervadinti į „.sh“.

crontab

Kadangi noriu fotografuoti kas penkias minutes maždaug per 2,5 valandos, naudoju „crontab“, kuri yra sistemos priemonė, skirta paleisti suplanuotas komandas net tada, kai nesate prisijungę. Šios sintaksė yra šiek tiek kebli, todėl naudokite pasirinktą paieškos variklį, kad gautumėte daugiau informacijos. Pridedamos atitinkamos mano „crontab“eilutės.

Šie įrašai leidžia: a) fotografuoti kas penkias minutes, kai yra saulės filtras, ir b) palaukti kelias valandas ir nufotografuoti porą nuotraukų be filtro.

5 žingsnis: projekto langelis

Aš tikrai taupysiu instrukcijas šiame skyriuje ir paliksiu jūsų vaizduotei. Priežastis ta, kad kiekvienas diegimas bus skirtingas ir priklausys nuo to, kur įdiegiate projektą, ir nuo medžiagos, su kuria dirbate.

Svarbiausias projekto dėžutės aspektas yra tai, kad jis būtų pastatytas taip, kad jis lengvai nejudėtų. Pradėjus fotografuoti fotoaparatas neturėtų pajudėti. Priešingu atveju turėsite parašyti programinę įrangą, kad atliktumėte vaizdų registraciją ir surašytumėte visas nuotraukas skaitmeniniu būdu. Geriau turėti fiksuotą platformą, kad nereikėtų spręsti šios problemos.

Savo projekto dėžutėje naudoju 1/2 colio MDF, nedidelį 1/4 colio faneros gabalą, 3D spausdintą rėmelį, kad fotoaparatas būtų laikomas norimu kampu, ir šiek tiek baltos gofruotos projekto plokštės. Paskutinis gabalas yra priešais 3D spausdintą rėmą, kad apsaugotų jį nuo tiesioginių saulės spindulių ir išvengtų galimų deformacijos problemų.

Dėžutės galą ir viršutinę dalį palikau atvirą, jei man reikės prieiti prie elektronikos, bet to dar neįvyko. Tai veikia jau septynias savaites, nereikalaujant jokių pataisymų ar pakeitimų.

Kilnojamas filtras

Vienintelė projekto dėžutės dalis, kurią verta šiek tiek paaiškinti, yra servo sistema su kilnojama ranka.

Standartinis „Raspberry Pi“fotoaparato modulis neveikia taip gerai, jei tiesiog nukreipiate jį į saulę ir fotografuojate. Patikėk manimi … Aš bandžiau.

Norėdami gauti naudingą saulės vaizdą, prieš objektyvą turite įdėti saulės filtrą. Tikriausiai galite nusipirkti brangių iš anksto pagamintų filtrų, bet aš padariau savo, naudodamas nedidelį saulės plėvelės gabalėlį ir 1/4 colio HDPE gabalėlį su apskrito formos skylute. Saulės plėvelę galima įsigyti iš „Amazon“už maždaug 12 USD. Žvelgiant atgal, aš galėjau užsisakyti daug mažesnį gabalėlį ir sutaupyti šiek tiek pinigų. Jei turite nenaudojamus senus saulės užtemimo akinius, galite nupjauti vieną iš lęšių ir padaryti tinkamą filtrą.

Filtro judėjimas

Nors dauguma fotografuojamų nuotraukų bus su įstatytu filtru, jūs taip pat norite gauti nuotraukas kitu paros metu, kai saulė nepatenka į kadrą. Tai bus tai, ką naudosite kaip fono paveikslėlius, kad padengtumėte filtruotas saulės nuotraukas. Galite jį sukurti taip, kad rankiniu būdu perkeltumėte filtrą ir padarytumėte šiuos fono paveikslėlius, tačiau aš turėjau papildomą servo sistemą ir norėjau automatizuoti šį žingsnį.

Kam skirta relė?

Tarp to, kaip „Pi“generuoja PWM signalus, ir žemos klasės servo, kurį naudojau, buvo laikas, kai viską įjungdavau, o servo tiesiog sėdėdavo ir „plepėdavo“. Tai reiškia, kad jis judėtų pirmyn ir atgal labai mažais žingsniais, nes bandė rasti tikslią vietą, kuriai vadovavo Pi. Dėl to servo buvo labai įkaitusi ir sukėlė erzinantį triukšmą. Taigi nusprendžiau naudoti relę, kad galėčiau tiekti servo energiją tik du kartus per dieną, kai noriu padaryti nefiltruotas nuotraukas. Tam reikėjo naudoti kitą skaitmeninį išvesties kaištį Pi, kad būtų galima perduoti relės valdymo signalą.

6 žingsnis: energijos tiekimas

Šiame projekte reikia keturių elementų:

1. Raspberry Pi
2. „Wi-Fi“raktas (jei naudojate vėlesnį „Pi“modelį su įmontuotu „Wi-Fi“, to neprireiks)
3. 5 V relė
4. Servo

Svarbu: nebandykite maitinti servo tiesiai iš „Raspberry Pi“5V kaiščio. Servo siurbia daugiau srovės, nei Pi gali tiekti, ir jūs padarysite nepataisomą žalą lentai. Vietoj to, naudokite atskirą maitinimo šaltinį, kad įjungtumėte servo ir relės maitinimą.

Ką aš padariau, naudoju vieną 5 V sienelės karpą „Pi“maitinimui, o kitą - senam USB šakotuvui. Stebulė naudojama prijungti „Wi-Fi“raktą ir tiekti relę bei servo maitinimą. Servo ir relės neturi USB lizdų, todėl paėmiau seną USB kabelį ir nutraukiau jungtį nuo įrenginio galo. Tada nuėmiau 5V ir įžeminimo laidus ir prijungiau juos prie relės ir servo. Tai suteikė šiems įrenginiams energijos šaltinį, nerizikuodamas sugadinti „Pi“.

Pastaba: „Pi“ir išoriniai komponentai nėra visiškai nepriklausomi. Kadangi turite valdymo signalus, ateinančius iš Pi į relę ir servo, taip pat turite turėti antžeminę liniją, einančią iš tų elementų į Pi. Taip pat yra USB jungtis tarp koncentratoriaus ir „Pi“, kad „Wi-Fi“galėtų veikti. Elektros inžinierius tikriausiai drebėtų dėl įžeminimo kilpų ir kitų elektros bėdų, tačiau viskas veikia, todėl nesirūpinsiu inžinerijos kompetencijos trūkumu.:)

7 žingsnis: surinkite viską kartu

Prijungę visas dalis, kitas žingsnis yra sumontuoti servo, sklendės svirtį ir fotoaparatą ant montavimo plokštės.

Viename paveikslėlyje aukščiau galite pamatyti užrakto svirtį padėtyje (atėmus saulės plėvelę, kurios aš dar neužklijavau). Užrakto svirtis pagaminta iš 1/4 colio HDPE ir pritvirtinama naudojant vieną iš standartinių stebulių, gautų kartu su servo.

Kitame paveikslėlyje galite pamatyti montavimo plokštės nugarėlę ir tai, kaip pritvirtintas servo ir fotoaparatas. Po to, kai buvo padaryta ši nuotrauka, perprojektavau baltą gabalą, kurį matote, kad fotoaparato objektyvas priartėtų prie užrakto svirties, ir tada atspausdinau jį žalia spalva. Štai kodėl kitose nuotraukose baltos dalies nėra.

Atsargumo žodis

Fotoaparato modulyje yra labai mažas juostelės kabelis, jungiantis tikrąją kamerą su likusia elektronika. Ši maža jungtis turi erzinančią tendenciją dažnai išlįsti iš lizdo. Kai jis pasirodo, „raspistill“praneša, kad fotoaparatas nėra prijungtas. Praleidau daug laiko bevaisiai, persodindama abu didesnio juostinio kabelio galus, kol supratau, kur slypi tikroji problema.

Kai supratau, kad problema yra mažas kabelis ant lentos, bandžiau jį laikyti su Kaptono juostele, bet tai nepadėjo ir galiausiai pasirinkau karštų klijų šluostę. Iki šiol klijai jį laikė.

8 žingsnis: svetainės pasirinkimas

Didieji pasaulio teleskopai yra kalnų viršūnėse Peru, Havajuose ar kitoje palyginti atokioje vietoje. Į šį projektą įtrauktas visas mano svetainių kandidatų sąrašas:

• Mano namo palangė į rytus
• Mano namo palangė į vakarus
• Mano namo palangė į pietus

Šiame sąraše ypač nedalyvauja Peru ir Havajai. Taigi, ką turėčiau daryti turėdamas šiuos pasirinkimus?

Į pietus nukreiptas langas yra plačiai atvertas, nesimato pastatų, tačiau dėl oro sandariklio problemos jis nėra optiškai aiškus. Į langą, nukreiptą į vakarus, atsiveria puikus vaizdas į „Pikes Peak“, iš kurio atsiveria nuostabus vaizdas, tačiau jis yra šeimos kambaryje ir mano žmonai gali nepatikti, kad mano mokslo projektas būtų taip gerai matomas visus metus. Tai paliko mane į rytus nukreiptą vaizdą, atsiveriantį į didelį antenos bokštą ir vietinį „Safeway“galą. Nelabai gražus, bet tai buvo geriausias pasirinkimas.

Tiesą sakant, svarbiausia yra rasti vietą, kurioje projektas nebus stumdomas, perkeliamas ar kitaip sutrikdomas. Kol galėsite kiekvieną dieną po dvi valandas įrėminti saulę, bet kokia kryptis veiks.

9 žingsnis: Fotografavimas

Debesuota

Aš gyvenu kažkur, kur kasmet daug saulės, o tai yra gerai, nes debesys iš tikrųjų kenkia nuotraukoms. Jei yra šiek tiek debesuota, saulė išeina kaip šviesiai žalias diskas, o ne gerai apibrėžtas oranžinis diskas, kurį gaunu dieną be debesų. Jei jis yra gana drumstas, vaizdas nieko nerodo.

Pradėjau rašyti vaizdų apdorojimo programinę įrangą, kuri padėtų palengvinti šias problemas, tačiau šis kodas dar nėra paruoštas. Iki tol aš tiesiog turiu apeiti oro kaprizus.

Sukurkite atsarginę duomenų kopiją

Naudodamas fotoaparatą ir fotografuojamų nuotraukų skaičių, kiekvieną dieną sukuriu apie 70 MB vaizdų. Net jei „Pi“„micro-SD“kortelė būtų pakankamai didelė, kad joje tilptų metų vertės duomenys, aš ja nepasitikėčiau. Kas kelias dienas naudoju scp, norėdamas nukopijuoti naujausius duomenis į darbalaukį. Ten peržiūriu vaizdus, kad įsitikinčiau, ar viskas gerai ir ar nenutiko nieko keisto. Tada nukopijuoju visus tuos failus į savo NAS, kad turėčiau dvi nepriklausomas duomenų kopijas. Po to grįžtu prie „Pi“ir ištrinu originalius failus.

10 žingsnis: Analemma (arba … astronomiškai didelė aštuoneto figūra)

Be to, kad nustatote ašinį posvyrį ir platumą, fotografuodami tuo pačiu metu kiekvieną dieną taip pat galite labai gerai pamatyti Saulės kelią per metus.

Jei kada nors matėte filmą „Išmesk kartu su Tomu Hanksu“, galbūt prisimeni sceną oloje, kurioje jis laikui bėgant pažymėjo saulės kelią, ir tai sudarė aštuntą skaičių. Kai pirmą kartą pamačiau tą sceną, norėjau daugiau sužinoti apie šį reiškinį ir tik po septyniolikos metų pagaliau pradedu tai daryti!

Ši forma vadinama analemma ir tai yra Žemės ašies pasvirimo ir to, kad Žemės orbita yra elipsinė, o ne tobulas apskritimas, rezultatas. Fotografuoti filmą yra taip paprasta, kaip nustatyti fotoaparatą ir fotografuoti kiekvieną dieną tuo pačiu metu. Nors žiniatinklyje yra daug labai gerų analemmos nuotraukų, vienas iš dalykų, kurį padarysime šiame projekte, yra sukurti savo. Norėdami gauti daugiau informacijos apie analemmą ir tai, kaip galima tapti gana naudingo almanacho centru, skaitykite šiame straipsnyje.

Prieš atsirandant skaitmeninei fotografijai, norint nufotografuoti analemmą, reikėjo tikrų fotografavimo įgūdžių, nes jūs turėsite atidžiai nufotografuoti kelias ekspozicijas tame pačiame filme. Akivaizdu, kad „Raspberry Pi“fotoaparatas neturi filmo, todėl vietoj įgūdžių ir kantrybės mes tiesiog sujungsime kelis skaitmeninius vaizdus, kad gautume tą patį efektą.

11 žingsnis: kas toliau?

Dabar, kai mažasis fotoaparatas-robotas yra vietoje ir kiekvieną dieną ištikimai fotografuoja, kas toliau? Kaip paaiškėja, dar reikia nuveikti nemažai dalykų. Atminkite, kad dauguma jų apima „python“rašymą ir „OpenCV“naudojimą. Man patinka „Python“ir norėjau pasiteisinimo išmokti „OpenCV“, todėl man tai naudinga!

1. Automatiškai aptikti debesuotas dienas Noriu automatiškai aptikti šią būklę ir tada padidinti užrakto greitį arba atitraukti saulės filtrą.
2. Naudokite vaizdo apdorojimą, kad rastumėte saulę net debesuotose nuotraukose. Įtariu, kad galima rasti saulės centrinį tašką, net jei debesys trukdo.
3. Uždenkite saulės diskus ant aiškaus fono paveikslėlio, kad susidarytumėte saulės kelio takelį dienos metu
4. Ta pati pagrindinė technika, kaip ir paskutinis žingsnis, bet naudojant nuotraukas, padarytas tuo pačiu metu kiekvieną dieną
5. Išmatuokite fotoaparato kampinę skiriamąją gebą (laipsniai/pikseliai). To man prireiks vėlesniems skaičiavimams

Yra daugiau nei tai, bet tai mane šiek tiek užims.

Ačiū, kad palaikėte mane iki galo. Tikiuosi, kad jums patiko šis projekto aprašymas ir kad tai motyvuoja jus imtis savo kito projekto!