Saules observatorija: 11 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Kāds ir Zemes ass slīpums? Kādā platumā es esmu?

Ja vēlaties ātri saņemt atbildi, viedtālrunī dodieties uz Google vai GPS lietotni. Bet, ja jums ir Raspberry Pi, kameras modulis un apmēram gads, lai veiktu dažus novērojumus, atbildes uz šiem jautājumiem varat noteikt pats. Iestatot kameru ar saules filtru noteiktā vietā un katru dienu vienā un tajā pašā laikā izmantojot attēlu, jūs varat savākt daudz datu par saules ceļu caur debesīm un, visbeidzot, Zemes ceļu apkārt saule. Šajā pamācībā es jums parādīšu, kā es izveidoju savu saules novērošanas centru par mazāk nekā 100 USD.

Pirms mēs ejam daudz tālāk, man vajadzētu norādīt, ka man ir tikai divi mēneši ilgajā eksperimentā, tāpēc es nevarēšu iekļaut galīgos rezultātus. Tomēr es varu dalīties savā pieredzē, veidojot šo projektu, un, cerams, sniegt jums priekšstatu par to, kā izveidot savu.

Lai gan šis projekts nemaz nav grūts, tas sniedz iespēju izmantot vairākas dažādas prasmes. Vismaz jums ir jāspēj pieslēgt Raspberry Pi kamerai un servo, un jums būs jāspēj veikt zināmu programmatūras izstrādes līmeni, lai iegūtu datus no uzņemtajiem attēliem. Es izmantoju arī pamata kokapstrādes rīkus un 3D printeri, taču tie nav izšķiroši šim projektam.

Es arī aprakstīšu ilgtermiņa datu vākšanas centienus un to, kā es izmantošu OpenCV, lai simtiem attēlu pārvērstu ciparu datos, kurus var analizēt, izmantojot izklājlapu vai jūsu izvēlēto programmēšanas valodu. Kā bonusu mēs izmantosim arī savu māksliniecisko pusi un apskatīsim dažus interesantus vizuālos attēlus.

1. darbība: Tldr; Īsi norādījumi

Šī pamācība ir nedaudz garā pusē, tāpēc, lai sāktu darbu, šeit ir atklāti kauli, bez papildu detaļām sniegti norādījumi.

1. Iegūstiet Raspberry Pi, kameru, servo, releju, saules plēvi, sienas kārpas un dažādu aparatūru
2. Pievienojiet visu šo aparatūru
3. Konfigurējiet Pi un uzrakstiet dažus vienkāršus skriptus attēlu uzņemšanai un rezultātu saglabāšanai
4. Izveidojiet projekta kastīti un ievietojiet tajā visu aparatūru
5. Atrodiet vietu, kur novietot projektu, kur tas var redzēt sauli, un tas netiks sasists vai satricināts
6. Ielieciet to tur
7. Sāciet fotografēt
8. Ik pēc pāris dienām pārvietojiet attēlus uz citu datoru, lai neaizpildītu SD karti
9. Sāciet mācīties OpenCV, lai jūs varētu iegūt datus no saviem attēliem
10. Pagaidiet gadu

Tas ir projekts īsumā. Turpiniet lasīt, lai iegūtu sīkāku informāciju par šīm darbībām.

2. darbība. Fons

Cilvēki ir vērojuši sauli, mēnesi un zvaigznes tik ilgi, cik mēs esam bijuši apkārt, un šis projekts nesasniedz neko tādu, ko mūsu senči nedarīja pirms tūkstošiem gadu. Bet tā vietā, lai ievietotu nūju zemē un izmantotu akmeņus, lai atzīmētu ēnu atrašanās vietas galvenajos laikos, mēs izmantosim Raspberry Pi un kameru un darīsim to visu, nodrošinot komfortu mūsu mājās. Jūsu projekts nebūs tūrisma objekts pēc tūkstoš gadiem, bet, no otras puses, jums nebūs jācīnās par gigantisku laukakmeņu izveidi.

Šī projekta vispārējā ideja ir norādīt kameru uz noteiktu vietu debesīs un fotografēt katru dienu vienā un tajā pašā laikā. Ja jūsu kamerai ir piemērots filtrs un pareizs aizvara ātrums, jums būs izteikti, skaidri definēti saules diska attēli. Izmantojot šos attēlus, jūs varat ievietot zemē virtuālu nūju un uzzināt daudz interesantu lietu.

Lai šī Instructable izmērs būtu pārvaldāms, es apskatīšu tikai to, kā noteikt Zemes ass slīpumu un platumu, kurā tiek uzņemti attēli. Ja komentāru sadaļa norāda uz pietiekamu interesi, es varu runāt par dažām citām lietām, kuras varat uzzināt no jūsu saules novērošanas centra nākamajā rakstā.

Aksiālais slīpums Leņķis starp sauli dienā, kas atrodas vistālāk uz ziemeļiem, un dienu, kas atrodas vistālāk uz dienvidiem, ir tāds pats kā Zemes ass slīpums. Jūs, iespējams, mācījāties skolā, ka tas ir 23,5 grādi, bet tagad jūs to uzzināsit no saviem novērojumiem, nevis vienkārši no mācību grāmatas.

Tagad, kad mēs zinām Zemes ass slīpumu, atņemiet to no saules ceļa pacēluma gada garākajā dienā, lai uzzinātu jūsu pašreizējās atrašanās vietas platumu.

Kāpēc uztraukties? Acīmredzot jūs varētu atrast šīs vērtības daudz precīzāk un ātrāk, bet, ja jūs esat tāda veida persona, kas lasa instrukcijas, jūs zināt, ka ir daudz gandarījuma, ja to darāt pats. Šī projekta būtība ir uzzināt faktus par apkārtējo pasauli, izmantojot tikai vienkāršus, tiešus novērojumus un tiešu matemātiku.

3. darbība. Nepieciešamie komponenti

Lai gan jūs varētu paveikt visu šo projektu ar pietiekami dārgu un izsmalcinātu kameru, man tādas nav. Šī projekta mērķis bija izmantot to, kas man jau bija pieejams no iepriekšējiem projektiem. Tas ietvēra Raspberry Pi, kameras moduli un lielāko daļu citu zemāk uzskaitīto vienumu, lai gan dažus no tiem man vajadzēja apmeklēt Amazon. Kopējās izmaksas, ja viss būs jāpērk, būs aptuveni 100 USD.

• Raspberry Pi (derēs jebkurš modelis)
• Raspberry Pi kameras modulis
• Garāks lentes kabelis kamerai (pēc izvēles)
• Bezvadu dongle
• Standarta servo
• 5V relejs
• Darbināms USB centrmezgls
• Barošanas bloks un pagarinātājs
• Saules plēves loksne
• Metāllūžņi, plastmasa, HDPE utt
• Gofrēta projekta dēlis

Es arī izmantoju savu Monoprice 3D printeri, taču tas bija ērtības, nevis nepieciešamība. Nedaudz radošuma no jūsu puses ļaus jums izdomāt piemērotu veidu, kā iztikt bez tā.

4. darbība. Raspberry Pi konfigurēšana

Uzstādīt

Es šeit sīkāk neiedziļināšos un pieņemšu, ka jums patīk instalēt OS uz Pi un to konfigurēt. Ja nē, tīmeklī ir daudz resursu, kas palīdzēs jums sākt darbu.

Šeit ir vissvarīgākās lietas, kurām jāpievērš uzmanība iestatīšanas laikā.

• Pārliecinieties, vai jūsu WiFi savienojums tiek automātiski startēts, kad Pi tiek restartēts
• Projekts, iespējams, tiks instalēts nevietā, tāpēc jums tas nebūs jāpievieno monitoram un tastatūrai. Lai to konfigurētu un kopētu attēlus uz citu datoru, jūs diezgan daudz izmantosit ssh & scp.
• Noteikti iespējojiet automātisko pieteikšanos, izmantojot ssh, lai jums nebūtu katru reizi manuāli jāievada parole
• Daudzi cilvēki pievieno kameru, bet aizmirst to iespējot
• Atspējojiet GUI režīmu. Jūs darbosies bez galvas, tāpēc nav nepieciešams tērēt sistēmas resursus X servera darbināšanai
• Instalējiet gpio pakotni, izmantojot apt-get vai līdzīgu
• Laika joslas iestatīšana uz UTC Jūs vēlaties, lai jūsu attēli būtu katru dienu vienā un tajā pašā laikā, un jūs nevēlaties, lai vasaras laiks tiktu izmests. Vienkāršākais ir izmantot UTC.

Tagad būtu īstais laiks eksperimentēt ar kameras moduli. Izmantojiet programmu “raspistill”, lai uzņemtu dažus attēlus. Jums vajadzētu arī eksperimentēt ar komandrindas opcijām, lai redzētu, kā tiek kontrolēts aizvara ātrums.

Aparatūras saskarnes

Kameras modulim ir savs lentes kabeļa interfeiss, bet mēs izmantojam GPIO tapas, lai kontrolētu releju un servo. Ņemiet vērā, ka parasti tiek izmantotas divas dažādas numerācijas shēmas, un to ir viegli sajaukt. Es labprātāk izmantoju opciju “-g” komandai gpio, lai varētu izmantot oficiālos pin numurus.

Jūsu tapas var atšķirties, ja jums ir atšķirīgs modelis Pi, nevis tas, ko es izmantoju. Skatiet sava modeļa pinout diagrammas.

• 23. tapa - digitālā izeja uz releju Šis signāls ieslēdz releju, kas nodrošina barošanu servo
• Piespraude 18 - PWM uz servo Servo pozīciju kontrolē impulsa platuma modulācijas signāls
• Zeme - Pietiks ar jebkuru zemējuma tapu

Skatiet pievienotos čaulas skriptus, lai kontrolētu šīs tapas.

Piezīme. Augšupielādes dialoglodziņš šajā vietnē iebilda pret manu mēģinājumu augšupielādēt failus, kas beidzās ar.sh. Tāpēc es tos pārdēvēju ar paplašinājumu “.notsh”, un augšupielāde darbojās labi. Pirms lietošanas tos, iespējams, vēlēsities pārdēvēt par “.sh”.

crontab

Tā kā es vēlos fotografēt ik pēc piecām minūtēm apmēram 2,5 stundu laikā, es izmantoju crontab, kas ir sistēmas utilīta, lai palaistu ieplānotas komandas pat tad, ja neesat pieteicies. Sintakse tam ir nedaudz neveikla, tāpēc izmantojiet meklētājprogrammu, lai iegūtu sīkāku informāciju. Manas crontab attiecīgās rindiņas ir pievienotas.

Šie ieraksti ir šādi: a) fotografēt ik pēc piecām minūtēm, kad saules filtrs ir ievietots, un b) pagaidīt dažas stundas un uzņemt pāris attēlus bez filtra.

5. solis: projekta kaste

Es patiešām taupīšu instrukcijas šajā sadaļā un atstāšu jūs savas iztēles ziņā. Iemesls ir tāds, ka katra instalācija būs atšķirīga un būs atkarīga no tā, kur instalējat projektu, un materiāla veidiem, ar kuriem strādājat.

Vissvarīgākais projekta kastes aspekts ir tas, ka tas ir novietots tā, lai tas viegli nepārvietotos. Sākot fotografēt, kamerai nevajadzētu kustēties. Pretējā gadījumā jums būs jāraksta programmatūra, lai veiktu attēlu reģistrāciju un visus attēlus sakārtotu digitāli. Labāk, ja jums ir fiksēta platforma, lai jums nebūtu jārisina šī problēma.

Savā projekta kastē es izmantoju 1/2 "MDF, nelielu 1/4" saplākšņa gabalu, 3D drukātu rāmi, lai turētu kameru vēlamajā leņķī, un kādu baltu gofrētu projekta dēli. Pēdējais gabals ir novietots 3D drukātā rāmja priekšā, lai pasargātu to no tiešiem saules stariem un izvairītos no iespējamām deformācijas problēmām.

Es atstāju kastes aizmuguri un augšpusi atvērtu, ja man vajadzēs nokļūt elektronikā, bet tas vēl nav noticis. Tas darbojas jau septiņas nedēļas, no manas puses nav nepieciešami nekādi labojumi vai pielāgojumi.

Pārvietojams filtrs

Vienīgā projekta kastes daļa, kas ir pelnījusi dažus skaidrojumus, ir servo ar kustīgo roku.

Standarta Raspberry Pi kameras modulis nedarbojas tik labi, ja vienkārši pavēršat to pret sauli un uzņemat attēlu. Ticiet man šajā jautājumā … Es mēģināju.

Lai iegūtu izmantojamu saules attēlu, objektīva priekšā ir jāievieto saules filtrs. Iespējams, ka šim nolūkam var iegādāties dārgus iepriekš izgatavotus filtrus, bet es pats izveidoju, izmantojot nelielu saules plēves gabalu un 1/4 collu HDPE gabalu ar apaļu caurumu. Saules plēvi var iegādāties no Amazon par aptuveni 12 ASV dolāriem. Retrospektīvi es būtu varējis pasūtīt daudz mazāku gabalu un ietaupīt nedaudz naudas. Ja jums ir kādas vecas saules aptumsuma brilles, kas atrodas neizmantotas, jūs, iespējams, varēsit sagriezt vienu no lēcām un izgatavot piemērotu filtru.

Filtra pārvietošana

Lai gan lielākā daļa uzņemto attēlu būs ar ievietotu filtru, jūs vēlaties iegūt attēlus arī citā diennakts laikā, kad saule ir ārpus kadra. Tos izmantosit kā fona attēlus, lai pārklātu filtrētos saules attēlus. Jūs to varētu izveidot tā, lai manuāli pārvietotu filtru un uzņemtu šos fona attēlus, bet man bija papildu servo un es vēlējos šo soli automatizēt.

Kam paredzēts relejs?

Starp veidu, kā Pi ģenerē PWM signālus, un zemās klases servo, kuru es izmantoju, bija reizes, kad es visu ieslēdzu un servo vienkārši sēdēja un "pļāpāja". Tas ir, tas kustētos uz priekšu un atpakaļ ar ļoti maziem soļiem, cenšoties atrast precīzu pozīciju, ko Pi komandēja. Tas izraisīja servo ļoti karstu un radīja kaitinošu troksni. Tāpēc es nolēmu izmantot releju, lai nodrošinātu servo barošanu tikai divas reizes dienā, kad vēlos uzņemt nefiltrētus attēlus. Tam vajadzēja izmantot citu digitālo izejas tapu uz Pi, lai nodrošinātu releja vadības signālu.

6. solis: enerģijas piegāde

Šajā projektā ir nepieciešami četri priekšmeti:

1. Raspberry Pi
2. Wi-Fi dongle (ja izmantojat jaunāku modeli Pi ar iebūvētu Wi-Fi, tas nebūs nepieciešams)
3. 5V relejs
4. Servo

Svarīgi: nemēģiniet darbināt servo tieši no Raspberry Pi 5V tapas. Servo piesaista vairāk strāvas, nekā Pi var piegādāt, un jūs nodarīsit neatgriezenisku kaitējumu plāksnei. Tā vietā izmantojiet atsevišķu barošanas avotu, lai darbinātu servo un releju.

Tas, ko es darīju, bija izmantot vienu 5 V sienas kārpu, lai darbinātu Pi, un otru, lai darbinātu veco USB centrmezglu. Centrmezgls tiek izmantots Wi-Fi dongle pievienošanai, kā arī barošanai relejam un servo. Servo un relejam nav USB ligzdu, tāpēc es paņēmu veco USB kabeli un nogriezu savienotāju no ierīces gala. Tad es atvienoju 5V un zemējuma vadus un pievienoju tos relejam un servo. Tas nodrošināja šīm ierīcēm enerģijas avotu, neriskējot sabojāt Pi.

Piezīme. Pi un ārējie komponenti nav pilnīgi neatkarīgi. Tā kā jums ir vadības signāli, kas nāk no Pi uz releju un servo, jums ir jābūt arī zemes līnijai, kas atgriežas no šiem priekšmetiem uz Pi. Starp centrmezglu un Pi ir arī USB savienojums, lai wi-fi varētu darboties. Elektroinženieris, iespējams, drebētu no zemes cilpu un citu elektrisko ļaunumu iespējamības, taču tas viss darbojas, tāpēc es neuztraucos par inženiertehniskās izcilības trūkumu.:)

7. solis: salieciet to visu kopā

Kad visas detaļas ir pievienotas, nākamais solis ir uzstādīt servo, aizvara rokturi un kameru uz montāžas plāksnes.

Vienā attēlā augstāk jūs varat redzēt aizvara sviru pozīcijā (atskaitot saules plēvi, kuru es vēl nebiju uzlīmējis). Aizvaru rokturis ir izgatavots no 1/4 collu HDPE un ir piestiprināts, izmantojot vienu no standarta centrmezgliem, kas piegādāts kopā ar servo.

Otrajā attēlā jūs varat redzēt montāžas plāksnes aizmuguri un to, kā ir piestiprināts servo un kamera. Pēc šī attēla uzņemšanas es pārveidoju redzamo balto gabalu, lai kameras objektīvs tuvotos aizvara rokturim, un pēc tam to atkārtoti izdrukāju zaļā krāsā. Tāpēc citās bildēs baltās daļas nav.

Piesardzības vārds

Kameras modulī uz tāfeles ir ļoti niecīgs lentītes kabelis, kas savieno faktisko kameru ar pārējo elektroniku. Šim mazajam savienotājam ir nepatīkama tendence bieži izkļūt no kontaktligzdas. Kad tas parādās, raspistill ziņo, ka kamera nav pievienota. Es pavadīju daudz laika, neauglīgi pārkārtojot abas lielākās lentes kabeļa galus, pirms sapratu, kur slēpjas patiesā problēma.

Kad es sapratu, ka problēma ir mazais kabelis uz tāfeles, es mēģināju to turēt nospiestu ar Kaptona lenti, bet tas nedarbojās, un es beidzot ķēros pie karstas līmes. Līdz šim līme to noturēja.

8. darbība. Vietnes izvēle

Pasaules lielie teleskopi atrodas kalnu virsotnēs Peru, Havaju salās vai kādā citā salīdzinoši attālā vietā. Šim projektam pilns manu kandidātu vietņu saraksts ietvēra:

• Manā mājā uz austrumiem vērsta palodze
• Manā mājā palodze uz rietumiem
• Manā mājā uz dienvidiem vērsta palodze

Šajā sarakstā īpaši nav Peru un Havaju salas. Tātad, ņemot vērā šīs izvēles, ko man darīt?

Uz dienvidiem vērstajam logam ir plaši atvērts laukums, kurā nav redzamas ēkas, bet laika apstākļu blīvējuma problēmas dēļ tas nav optiski skaidrs. No rietumiem vērstā loga paveras lielisks skats uz Pikes Peak, un tas būtu radījis šausmīgu skatu, taču tas atrodas ģimenes istabā, un manai sievai varētu nepatikt, ka mans zinātniskais projekts tiktu tik labi redzams visu gadu. Tas man atstāja skatu uz austrumiem, no kura paveras skats uz lielu antenas torni un vietējā Safeway aizmuguri. Nav ļoti skaista, bet tā bija labākā izvēle.

Patiešām, vissvarīgākais ir atrast vietu, kur projekts netiks grūstīts, pārvietots vai citādi traucēts. Kamēr jūs varat katru dienu divas stundas iegūt sauli kadrā, jebkurš virziens darbosies.

9. darbība. Fotografēšana

Mākoņainas debesis

Es dzīvoju kaut kur, kur katru gadu tiek daudz saules, kas ir labi, jo mākoņi patiešām sabojā attēlus. Ja tas ir nedaudz duļķains, saule iznāk kā gaiši zaļš disks, nevis labi definēts oranžs disks, ko saņemu dienā bez mākoņiem. Ja ir diezgan duļķains, attēlā nekas nav redzams.

Esmu sācis rakstīt kādu attēlu apstrādes programmatūru, lai palīdzētu novērst šīs problēmas, taču šis kods vēl nav gatavs. Līdz tam man tikai jāstrādā ap laikapstākļu kaprīzēm.

Dublējiet savus datus

Izmantojot manu kameru un uzņemto attēlu skaitu, es katru dienu ģenerēju aptuveni 70 MB attēlu. Pat ja Pi mikro-SD karte būtu pietiekami liela, lai tajā ietilptu gada dati, es tam neuzticētos. Ik pēc dažām dienām es izmantoju scp, lai kopētu jaunākos datus savā darbvirsmā. Tur es skatos attēlus, lai pārliecinātos, ka ar tiem viss ir kārtībā un vai nenotika nekas dīvains. Tad es visus šos failus nokopēju savā NAS, lai man būtu divas neatkarīgas datu kopijas. Pēc tam es atgriežos pie Pi un izdzēsu sākotnējos failus.

10. solis: Analemma (vai… Astronomiski liels astotais attēls)

Papildus aksiālā slīpuma un platuma noteikšanai, fotografējot katru dienu vienā un tajā pašā laikā, mēs varam arī iegūt ļoti vēsu skatu uz Saules ceļu gada laikā.

Ja jūs kādreiz esat redzējis filmu Izraidīt kopā ar Tomu Hanksu, jūs varētu atcerēties ainu alā, kur viņš laika gaitā iezīmēja saules ceļu, un tā veidoja astoņus skaitļus. Kad es pirmo reizi redzēju šo ainu, es gribēju uzzināt vairāk par šo parādību, un tikai septiņpadsmit gadus vēlāk es beidzot sāku to darīt!

Šo formu sauc par analemmu, un tas ir rezultāts Zemes ass slīpumam un tam, ka Zemes orbīta ir elipsveida, nevis perfekts aplis. Viena attēla uzņemšana filmā ir tikpat vienkārša kā kameras iestatīšana un attēla uzņemšana katru dienu vienā un tajā pašā laikā. Lai gan tīmeklī ir daudz ļoti labu analemmas attēlu, viena no lietām, ko mēs darīsim šajā projektā, ir izveidot savu. Lai uzzinātu vairāk par analemmu un to, kā viens var būt diezgan noderīga almanaha centrālais elements, skatiet šo rakstu.

Pirms digitālās fotogrāfijas parādīšanās analemmas attēla uzņemšanai bija nepieciešamas faktiskas fotografēšanas prasmes, jo vienā un tajā pašā filmā jums rūpīgi jāuzņem vairākas ekspozīcijas. Acīmredzot Raspberry Pi kamerai nav filmas, tāpēc prasmju un pacietības vietā mēs vienkārši apvienosim vairākus digitālos attēlus, lai iegūtu tādu pašu efektu.

11. darbība. Kas notiks tālāk?

Tagad, kad mazais fotoaparāts-robots ir savā vietā un katru dienu uzticīgi fotografē, ko darīt tālāk? Kā izrādās, vēl ir diezgan daudz darāmā. Ņemiet vērā, ka lielākā daļa no tiem būs saistīta ar python rakstīšanu un OpenCV izmantošanu. Man patīk python, un es vēlējos attaisnojumu, lai uzzinātu OpenCV, tāpēc man tas ir izdevīgi!

1. Automātiski noteikt mākoņainas dienas Ja ir pārāk duļķains, saules plēve un īss aizvara ātrums rada necaurspīdīgu attēlu. Es vēlos automātiski noteikt šo stāvokli un pēc tam palielināt aizvara ātrumu vai pārvietot saules filtru no ceļa.
2. Izmantojiet attēlu apstrādi, lai atrastu sauli pat mākoņainos attēlos. Man ir aizdomas, ka ir iespējams atrast saules centrālo punktu pat tad, ja ceļā ir mākoņi.
3. Pārklājiet saules diskus uz skaidra fona attēla, lai dienas laikā izveidotu ceļa ceļu
4. Tāda pati pamata tehnika kā pēdējais solis, bet katru dienu izmantojot vienā un tajā pašā laikā uzņemtos attēlus
5. Izmēriet kameras leņķisko izšķirtspēju (grādi/pikseļi). Tas būs vajadzīgs maniem turpmākajiem aprēķiniem

Ir vairāk nekā šis, bet tas mani kādu laiku aizņems.

Paldies, ka pieturējāties man līdz galam. Es ceru, ka jums patika šis projekta apraksts un ka tas motivē jūs risināt savu nākamo projektu!