Solar Observatory: 11 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Vad är lutningen på jordens axel? På vilken breddgrader befinner jag mig?

Om du vill ha svaret snabbt vänder du dig antingen till Google eller en GPS -app på din smartphone. Men om du har en Raspberry Pi, en kameramodul och något år för att göra några observationer, kan du själv bestämma svaren på dessa frågor. Genom att sätta upp en kamera med ett solfilter på en fast plats och använda Pi för att ta bilder samtidigt varje dag kan du samla mycket data om solens väg genom himlen och i förlängningen jordens väg runt solen. I denna instruktionsbok visar jag dig hur jag gjorde mitt eget solobservatorium för under $ 100.

Innan vi går mycket längre bör jag dock påpeka att jag bara är två månader inne i mitt årslånga experiment så jag kommer inte att kunna inkludera de slutliga resultaten. Men jag kan dela min erfarenhet av att bygga detta projekt och förhoppningsvis ge dig en uppfattning om hur du bygger ditt eget.

Även om det inte alls är svårt, ger detta projekt möjlighet att utöva flera olika färdigheter. Åtminstone måste du kunna ansluta en Raspberry Pi till en kamera och en servo och du måste kunna göra en viss nivå av mjukvaruutveckling för att extrahera data från bilderna du tar. Jag använde också grundläggande träbearbetningsverktyg och en 3D -skrivare men dessa är inte avgörande för detta projekt.

Jag kommer också att beskriva den långsiktiga insamling av data som jag har genomfört och hur jag kommer att använda OpenCV för att förvandla hundratals bilder till numeriska data som kan analyseras med hjälp av ett kalkylblad eller ditt valda programmeringsspråk. Som en bonus kommer vi också att ta del av vår konstnärliga sida och titta på några intressanta visuella bilder.

Steg 1: Tldr; Korta instruktioner

Denna instruerbara är lite på långsidan så för att komma igång, här är de bara benen, ingen extra detalj tillhandahålls instruktioner.

1. Skaffa en Raspberry Pi, kamera, servo, relä, solfilm, väggvorter och diverse hårdvara
2. Anslut all hårdvara
3. Konfigurera Pi och skriv några enkla skript för att ta bilder och spara resultaten
4. Bygg en projektlåda och montera all hårdvara i den
5. Hitta en plats att placera projektet där det kan se solen och det kommer inte att stöta eller stöta
6. Ställ det där
7. Börja ta bilder
8. Varannan dag, flytta bilderna till en annan dator så att du inte fyller på ditt SD -kort
9. Börja lära dig OpenCV så att du kan extrahera data från dina bilder
10. Vänta ett år

Det är projektet i ett nötskal. Fortsätt nu läsa för ytterligare detaljer om dessa steg.

Steg 2: Bakgrund

Människor har tittat på solen, månen och stjärnorna så länge vi har funnits och det här projektet uppnår inget som våra förfäder inte gjorde för tusentals år sedan. Men istället för att placera en pinne i marken och använda stenar för att markera platserna för skuggor vid viktiga tider, kommer vi att använda en Raspberry Pi och en kamera och göra allt inifrån komforten i våra hem. Ditt projekt kommer inte att vara en turistplats om tusen år från nu men på plussidan behöver du inte heller kämpa för att få gigantiska stenblock på plats.

Den allmänna idén i detta projekt är att rikta en kamera på en fast plats på himlen och ta bilder samtidigt varje dag. Om du har ett lämpligt filter på din kamera och rätt slutartid får du skarpa, väldefinierade bilder av solskivan. Med dessa bilder kan du sätta en virtuell pinne i marken och lära dig en hel del intressanta saker.

För att hålla storleken på denna instruerbara hanterbara är allt jag kommer att täcka hur man bestämmer lutningen på jordens axel och latitud där bilderna tas. Om kommentarsfältet indikerar tillräckligt med intresse kan jag prata om några av de andra sakerna du kan lära dig av ditt solobservatorium i en uppföljningsartikel.

Axiell lutning Vinkeln mellan solen den dag den är längst norrut och den dag den är längst söderut är samma som lutningen på jordens axel. Du kanske har lärt dig i skolan att detta är 23,5 grader men nu kommer du att veta detta från dina egna observationer och inte bara från en lärobok.

Nu när vi vet lutningen på jordens axel, subtrahera den från höjden av solens väg på årets längsta dag för att lära dig latitud för din nuvarande plats.

Varför bry dig? Uppenbarligen kan du hitta dessa värden mycket mer exakt och snabbt, men om du är den typen av personer som läser instruktioner, vet du att det är mycket tillfredsställelse att göra det själv. Att lära sig fakta om omvärlden med bara några enkla, direkta observationer och rak matematik är hela poängen med detta projekt.

Steg 3: Obligatoriska komponenter

Medan du kan göra hela det här projektet med en lagom dyr och snygg kamera, har jag inte en av dem. Ett mål för detta projekt var att använda det jag redan hade till hands från tidigare projekt. Detta inkluderade en Raspberry Pi, kameramodul och de flesta andra artiklarna nedan, men jag var tvungen att gå till Amazon för några av dem. Total kostnad om du måste köpa allt kommer att vara cirka 100 USD.

• Raspberry Pi (vilken modell som helst kommer att göra)
• Raspberry Pi kameramodul
• Längre bandkabel för kamera (tillval)
• Trådlös dongel
• Standard servo
• 5V relä
• Driven USB -hubb
• Strömlist och förlängningssladd
• Ark med solfilm
• Skrotvirke, plast, HDPE, etc.
• Korrugerad projektplatta

Jag använde också min Monoprice 3D -skrivare men det var en bekvämlighet och inte en nödvändighet. Med lite kreativitet från dig kan du hitta ett lämpligt sätt att klara dig utan det.

Steg 4: Konfigurera Raspberry Pi

Uppstart

Jag kommer inte att gå in i detalj här och antar att du är bekväm med att installera ett operativsystem på Pi och konfigurera det. Om inte, finns det gott om resurser på webben som hjälper dig att komma igång.

Här är de viktigaste sakerna att vara uppmärksam på under installationen.

• Se till att din WiFi -anslutning startar automatiskt när Pi startar om
• Aktivera sshProjektet kommer förmodligen att installeras på ett urval sätt så att du inte kommer att ha det anslutet till en bildskärm och tangentbord. Du kommer att använda ssh & scp ganska mycket för att konfigurera det och kopiera bilder till en annan dator.
• Var noga med att aktivera automatisk inloggning via ssh så att du inte behöver ange ditt lösenord manuellt varje gång
• Aktivera kameramodulen Många kopplar in kameran men glömmer att aktivera den
• Inaktivera GUI -läge Du kommer att köra utan huvud så att du inte behöver spendera systemresurser för att köra en X -server
• Installera gpio-paketet med apt-get eller liknande
• Ställ in tidszonen på UTC Du vill ha dina bilder vid samma tid varje dag och vill inte slängas av sommartid. Enklast att bara använda UTC.

Nu skulle det vara en bra tid att experimentera med kameramodulen. Använd programmet 'raspistill' för att ta några bilder. Du bör också experimentera med kommandoradsalternativen för att se hur slutartiden styrs.

Hårdvarugränssnitt

Kameramodulen har ett eget gränssnitt för bandkabel men vi använder GPIO -stiften för att styra relä och servo. Observera att det finns två olika numreringsscheman i vanlig användning och det är lätt att bli förvirrad. Jag föredrar att använda alternativet '-g' till gpio-kommandot så att jag kan använda de officiella PIN-numren.

Ditt val av stift kan variera om du har en annan modell Pi än den jag använder. Se pinout -diagrammen för din specifika modell för referens.

• Stift 23 - Digital ut till relä Denna signal slår på reläet, vilket ger servon ström
• Stift 18 - PWM till servon Servopositionen styrs av en pulsbreddsmoduleringssignal
• Jord - Varje marknål räcker

Se de bifogade skalskripten för att styra dessa stift.

Obs! Uppladdningsdialogrutan på den här webbplatsen motsatte mig mina försök att ladda upp filer som slutade med '.sh'. Så jag bytte namn på dem med tillägget '.notsh' och uppladdningen fungerade bra. Du kommer förmodligen att byta namn på dem igen till '.sh' före användning.

crontab

Eftersom jag vill ta bilder var femte minut under en period på cirka 2,5 timmar använde jag crontab, som är ett systemverktyg för att köra schemalagda kommandon även när du inte är inloggad. Syntaxen för detta är lite klumpig så använd sökmotor efter eget val för att få mer information. De relevanta raderna från min crontab är bifogade.

Vad dessa poster gör är att a) ta en bild var femte minut med solfiltret på plats och b) vänta några timmar och ta ett par bilder utan filter på plats.

Steg 5: Projektlåda

Jag kommer verkligen att snåla med instruktioner i det här avsnittet och överlåta dig till din egen fantasi. Anledningen är att varje installation kommer att vara annorlunda och beror på var du installerar projektet och vilka typer av material du arbetar med.

Den viktigaste aspekten av projektlådan är att den placeras på ett sätt så att den inte rör sig lätt. Kameran ska inte röra sig när du börjar ta bilder. Annars måste du skriva programvara för att utföra bildregistrering och rada upp alla bilder digitalt. Bättre att ha en fast plattform så att du inte behöver hantera det problemet.

Till min projektlåda använde jag 1/2 "MDF, en liten bit 1/4" plywood, en 3D -tryckt ram för att hålla kameran i önskad vinkel och lite vitt korrugerat projektbord. Den sista biten placeras framför den 3D -tryckta ramen för att skydda den från direkt solljus och undvika potentiella problem med snedvridning.

Jag lämnade baksidan och toppen av lådan öppen om jag skulle behöva komma till elektroniken men det har inte hänt än. Det har fungerat i sju veckor nu utan att behöva några korrigeringar eller tweaks från min sida.

Rörlig filtret

Den enda delen av projektlådan som förtjänar lite förklaring är servon med den rörliga armen.

Standard Raspberry Pi kameramodul fungerar inte så bra om du bara riktar den mot solen och tar en bild. Lita på mig på det här … jag försökte.

För att få en användbar bild av solen måste du placera ett solfilter framför linsen. Det finns förmodligen dyra färdiga filter som du kan köpa för detta men jag gjorde mitt eget med en liten bit solfilm och en bit 1/4 HDPE med ett cirkulärt hål i. Solfilmen kan köpas från Amazon för cirka $ 12. I efterhand kunde jag ha beställt en mycket mindre bit och sparat lite pengar. Om du har några gamla solförmörkelseglasögon som ligger oanvända kan du kanske klippa av en av linserna och göra ett lämpligt filter.

Gör att filtret rör sig

Medan de flesta bilderna du tar kommer att vara med filtret på plats, vill du också få bilder vid andra tider på dygnet när solen är ute av ram. Det här är vad du kommer att använda som bakgrundsbilder för att lägga över dina filtrerade solbilder. Du kan bygga det så att du manuellt flyttar filtret och tar dessa bakgrundsbilder men jag hade en extra servo som låg runt och ville automatisera det steget.

Vad är reläet till för?

Mellan hur Pi genererar PWM-signaler och low-end-servon jag använde, fanns det tillfällen då jag skulle slå på allt och servon bara satt där och "chattade". Det vill säga att den skulle röra sig fram och tillbaka i mycket små steg när den försökte hitta den exakta positionen som Pi befallde. Detta fick servon att bli väldigt varm och gjorde ett irriterande ljud. Så jag bestämde mig för att använda ett relä för att ge ström till servon endast under de två gånger om dagen som jag vill ta ofiltrerade bilder. Detta krävde användning av en annan digital utgångsstift på Pi för att ge styrsignalen till reläet.

Steg 6: Tillförsel av kraft

Det finns fyra saker som behöver ström i detta projekt:

1. Raspberry Pi
2. Wi-Fi-dongel (Om du använder en senare modell Pi med inbyggd wi-fi är det inte nödvändigt)
3. 5V Relä
4. Servo

Viktigt: Försök inte att driva servon direkt från 5V -stiftet på Raspberry Pi. Servon drar mer ström än Pi kan leverera och du kommer att göra irreparabel skada på brädet. Använd istället en separat strömkälla för att driva servon och reläet.

Vad jag gjorde var att använda en 5V väggvarta för att driva Pi och en annan för att driva en gammal USB -hubb. Navet används för att ansluta Wi-Fi-dongeln och för att leverera ström till relä och servo. Servon och reläet har inga USB -uttag så jag tog en gammal USB -kabel och skar bort kontakten från enhetens ände. Sedan tog jag bort 5V- och jordledningarna och kopplade dem till reläet och servon. Detta gav en strömkälla till dessa enheter utan att riskera att skada Pi.

Obs: Pi och de externa komponenterna är inte helt oberoende. Eftersom du har styrsignaler från Pi till relä och servo måste du också ha en jordlinje som går tillbaka från dessa objekt till Pi. Det finns också en USB-anslutning mellan hubben och Pi så att wi-fi kan fungera. En elingenjör skulle förmodligen rysa över potentialen för jordslingor och andra elstörningar men allt fungerar så jag tänker inte oroa mig för bristen på teknisk kompetens.:)

Steg 7: Sätta ihop allt

När du har anslutit alla delar är nästa steg att montera servon, slutarmen och kameran på monteringsplattan.

På en bild ovan kan du se slutararmen i läge (minus solfilmen, som jag inte hade tejpat på ännu). Slutarmen är gjord av 1/4 HDPE och fästs med ett av standardnaven som följde med servon.

På den andra bilden kan du se baksidan av monteringsplattan och hur servon och kameran fästs. Efter att denna bild togs gjorde jag om den vita delen som du ser för att få kameralinsen närmare slutararmen och tryckte sedan om den i grönt. Därför är den vita delen inte på andra bilder.

Ord av försiktighet

Kameramodulen har en mycket liten bandkabel på kortet som ansluter den verkliga kameran till resten av elektroniken. Denna lilla kontakt har en irriterande tendens att dyka upp ur uttaget ofta. När den dyker upp rapporterar raspistill att kameran inte är ansluten. Jag tillbringade mycket tid utan resultat att sätta tillbaka båda ändarna av den större bandkabeln innan jag insåg var det verkliga problemet låg.

Efter att jag insåg att problemet var den lilla kabeln på brädet försökte jag hålla den nere med Kapton -tejp men det fungerade inte och jag tog till slut en klick hett lim. Hittills har limmet hållit det på plats.

Steg 8: Platsval

Världens stora teleskop ligger på bergstoppar i Peru, Hawaii eller någon annan relativt avlägsen plats. För detta projekt inkluderade min kompletta lista över kandidatwebbplatser:

• En fönsterbricka i österläge i mitt hus
• En västlig fönsterbräda i mitt hus
• En fönsterbricka i söderläge i mitt hus

Särskilt frånvarande från denna lista är Peru och Hawaii. Med tanke på dessa val, vad skulle jag göra?

Fönstret i söderläge har en vidöppen vida utan byggnader i sikte, men på grund av problem med vädertätningen är det inte optiskt klart. Fönstret i västerläge har en fantastisk utsikt över Pikes Peak och skulle ha gett en fantastisk utsikt men det ligger i vardagsrummet och min fru kanske inte gillar att mitt vetenskapsprojekt visas så framträdande under ett helt år. Det lämnade mig med den östervända utsikten som ser ut på ett stort antenntorn och baksidan av den lokala Safeway. Inte särskilt vackert men det var det bästa valet.

Egentligen är det viktigaste att hitta en plats där projektet inte kommer att störas, röras eller på annat sätt störas. Så länge du kan få solen i ram i en timme två varje dag, kommer alla riktningar att fungera.

Steg 9: Ta bilder

Molnig himmel

Jag råkar bo någonstans som får mycket sol varje år, vilket är bra eftersom molnen verkligen förödar bilderna. Om det är lite grumligt kommer solen fram som en ljusgrön skiva snarare än den väldefinierade orange disken jag får på en molnfri dag. Om det är ganska grumligt syns ingenting på bilden.

Jag har börjat skriva lite bildbehandlingsprogram för att lindra dessa problem men den koden är inte klar än. Tills dess måste jag bara komma runt vädret.

Säkerhetskopiera dina data

Med kameran jag använder och antalet bilder jag tar genererar jag cirka 70 MB bilder varje dag. Även om mikro-SD-kortet på Pi var tillräckligt stort för att hålla ett års värde av data, skulle jag inte lita på det. Varannan dag använder jag scp för att kopiera de senaste uppgifterna till mitt skrivbord. Där tittar jag på bilderna för att se till att de är okej och att inget konstigt hände. Sedan kopierar jag alla dessa filer till min NAS så att jag har två oberoende kopior av data. Efter det går jag tillbaka till Pi och tar bort de ursprungliga filerna.

Steg 10: Analemma (eller … en astronomiskt stor figur åtta)

Förutom att bestämma axiell lutning och breddgrad kan fotografering vid samma tid varje dag också ge oss en väldigt cool utsikt över solens väg under ett år.

Om du någonsin har sett filmen Cast Away med Tom Hanks kanske du kommer ihåg scenen i grottan där han markerade solens väg över tid och det blev en siffra åtta. När jag först såg den scenen ville jag lära mig mer om det fenomenet och bara sjutton år senare kommer jag äntligen att göra just det!

Denna form kallas ett analemma och det är resultatet av lutningen av jordens axel och det faktum att jordens bana är elliptisk och inte en perfekt cirkel. Att fånga en på film är lika enkelt som att sätta upp en kamera och ta en bild samtidigt varje dag. Även om det finns många mycket bra bilder av analemma på webben, är en av de saker vi kommer att göra i detta projekt att skapa vår egen. För mycket mer om analemma och hur man kan vara mittpunkten i en ganska användbar almanacka, se den här artikeln.

Innan digital fotografering inträffade krävdes faktiska fotografiska färdigheter för att ta en bild av ett analemma eftersom du noggrant måste ta flera exponeringar på samma film. Uppenbarligen har Raspberry Pi -kameran inte film så istället för skicklighet och tålamod kommer vi helt enkelt att kombinera flera digitala bilder för att få samma effekt.

Steg 11: Vad är nästa?

Nu när den lilla kameraroboten är på plats och troget tar bilder varje dag, vad händer sedan? Som det visar sig finns det fortfarande en hel del saker att göra. Observera att de flesta av dessa kommer att innebära att du skriver python och använder OpenCV. Jag gillar python och har velat ha en ursäkt för att lära mig OpenCV så det är en win-win för mig!

1. Upptäck automatiskt grumliga dagar Om det är för grumligt ger solfilmen och kort slutartid en ogenomskinlig bild. Jag vill automatiskt upptäcka det tillståndet och sedan antingen öka slutartiden eller flytta solfiltret ur vägen.
2. Använd bildbehandling för att hitta solen även i grumliga bilder Jag misstänker att det är möjligt att hitta solens mittpunkt även om moln är i vägen.
3. Överlagra solskivor på en tydlig bakgrundsbild för att bilda ett spår av solens väg under dagen
4. Skapa ett analemma Samma grundteknik som det sista steget men med bilder tagna vid samma tidpunkt varje dag
5. Mät kamerans vinkelupplösning (grader/pixel) Jag behöver detta för mina senare beräkningar

Det finns mer än detta men det kommer att hålla mig upptagen ett tag.

Tack för att du håller mig till slutet. Jag hoppas att du gillade den här projektbeskrivningen och att den motiverar dig att ta tag i ditt eget nästa projekt!