Päikese vaatluskeskus: 11 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:49

Milline on Maa telje kalle? Mis laiuskraadil ma olen?

Kui soovite kiiret vastust, pöörduge kas Google'i või nutitelefoni GPS -rakenduse poole. Kuid kui teil on Raspberry Pi, kaameramoodul ja umbes aasta aega, et teha mõningaid tähelepanekuid, saate neile küsimustele vastused ise määrata. Kui seadistate päikesefiltriga kaamera kindlasse kohta ja kasutate iga päev samal ajal pildistamiseks Pi -d, saate koguda palju andmeid päikese tee kohta läbi taeva ja laiemalt Maa teekonna ümber päike. Selles juhendis näitan teile, kuidas tegin oma päikese vaatluskeskuse alla 100 dollari eest.

Enne kui me palju kaugemale läheme, peaksin siiski märkima, et olen oma aastase katsega alles kaks kuud, nii et ma ei saa lõplikke tulemusi lisada. Siiski saan jagada oma kogemusi selle projekti ehitamisel ja loodetavasti anda teile idee, kuidas oma projekti luua.

Kuigi see pole üldse raske, annab see projekt võimaluse kasutada mitmeid erinevaid oskusi. Vähemalt peate suutma ühendada Raspberry Pi kaamera ja servo külge ning teil peab olema võimalus teha teatud tasemel tarkvaraarendust, et võtta piltidelt andmeid. Kasutasin ka põhilisi puidutöötlemisvahendeid ja 3D -printerit, kuid need pole selle projekti jaoks üliolulised.

Kirjeldan ka pikaajalist andmete kogumise tööd ja seda, kuidas ma kasutan OpenCV-d sadade piltide muutmiseks arvandmeteks, mida saab arvutustabeli või teie valitud programmeerimiskeele abil analüüsida. Boonusena kasutame ka oma kunstilist külge ja vaatame huvitavaid visuaalseid pilte.

1. etapp: Tldr; Lühikesed juhised

See juhend on natuke pikemal küljel, nii et alustamiseks on siin paljad luud, juhiseid pole lisadetailide jaoks.

1. Hankige Raspberry Pi, kaamera, servo, relee, päikesekile, seina tüükad ja mitmesugune riistvara
2. Ühendage kogu see riistvara
3. Seadistage Pi ja kirjutage mõned lihtsad skriptid piltide tegemiseks ja tulemuste salvestamiseks
4. Ehitage projektikast ja paigaldage sinna kogu riistvara
5. Leidke koht, kuhu projekt paigutada, kus see näeb päikest ja see ei põrku ega tõuka
6. Pane see sinna
7. Alustage pildistamist
8. Teisaldage pildid iga paari päeva tagant teise arvutisse, et te ei täidaks SD -kaarti
9. Alustage OpenCV õppimist, et saaksite oma piltidelt andmeid välja võtta
10. Oota aasta

See on projekt lühidalt. Nüüd lugege nende sammude kohta lisateavet.

2. samm: taust

Inimesed on vaadanud päikest, kuud ja tähti nii kaua, kui meie oleme olnud, ja selle projektiga ei saavutata midagi, mida meie esivanemad tuhandeid aastaid tagasi ei teinud. Kuid selle asemel, et pulk maasse panna ja võtmete ajal varjude asukohti märkida, kasutame kive, kasutame Raspberry Pi ja kaamerat ning teeme seda kõike oma kodust mugavalt. Teie projekt ei ole tuhande aasta pärast turismiobjekt, kuid plusspoolel ei pea te ka vaeva nägema hiiglaslike rahnude paika saamisega.

Selle projekti üldine idee on suunata kaamera taevasse kindlasse kohta ja pildistada iga päev samal ajal. Kui teie kaameral on sobiv filter ja õige säriaeg, saate päikesekettalt teravaid ja täpselt määratletud pilte. Neid pilte kasutades saate virtuaalse pulga maasse pista ja õppida päris palju huvitavat.

Selle juhendatava suuruse hallatavaks tegemiseks käsitlen vaid seda, kuidas määrata Maa telje kalle ja laiuskraad, kus pildistatakse. Kui kommentaaride jaotis näitab piisavat huvi, võin järgmises artiklis rääkida mõnest muust asjast, mida saate oma päikesevaatluskeskusest õppida.

Aksiaalne kaldenurk Päikese vahemaa päeval, mil see on kõige kaugemal põhjas, ja päeval, mil see on kõige kaugemal lõunas, on sama kui Maa telje kalle. Võib -olla olete koolis õppinud, et see on 23,5 kraadi, kuid nüüd teate seda oma tähelepanekute põhjal, mitte lihtsalt õpikust.

Nüüd, kui me teame Maa telje kaldenurka, lahutage see päikese tee tõusust aasta pikimal päeval, et saada teada oma praeguse asukoha laiuskraad.

Miks vaeva näha? Ilmselt võiksite need väärtused leida palju täpsemalt ja kiiremini, kuid kui olete seda tüüpi inimene, kes loeb juhiseid, siis teate, et seda tehes on palju rahulolu. Selle projekti mõte on õppida teid ümbritseva maailma kohta fakte, kasutades vaid mõnda lihtsat, otsest vaatlust ja lihtsat matemaatikat.

3. samm: nõutavad komponendid

Kuigi kogu selle projekti saaksite teha sobiva kalli ja uhke kaameraga, pole mul ühtegi sellist. Selle projekti eesmärk oli kasutada seda, mis mul varasematest projektidest juba käepärast oli. See hõlmas Raspberry Pi, kaameramoodulit ja enamikku teisi allpool loetletud üksusi, kuigi pidin mõne neist Amazonist minema. Kogukulu, kui peate kõik ostma, on umbes 100 USD.

• Raspberry Pi (sobib iga mudel)
• Raspberry Pi kaamera moodul
• Pikem lintkaabel kaamerale (valikuline)
• Juhtmevaba dongle
• Tavaline servo
• 5V relee
• Toitega USB -jaotur
• Toitejuhe ja pikendusjuhe
• Päikesekile leht
• Saematerjali, plasti, HDPE jäänused
• Lainepapp projektitahvel

Kasutasin ka oma Monoprice 3D -printerit, kuid see oli mugavus, mitte vajadus. Väike loovus teie poolt võimaldab teil välja mõelda sobiva viisi, kuidas ilma selleta hakkama saada.

Samm: Raspberry Pi seadistamine

Seadistamine

Ma ei hakka siin väga üksikasjalikult rääkima ja eeldan, et olete rahul OS -i installimisega Pi -le ja selle konfigureerimisega. Kui ei, siis on veebis palju ressursse, mis aitavad teil alustada.

Siin on kõige olulisemad asjad, millele seadistamise ajal tähelepanu pöörata.

• Veenduge, et teie WiFi -ühendus käivitub automaatselt Pi taaskäivitamisel
• Projekt installitakse tõenäoliselt teelt kõrvale, nii et teil pole seda monitori ja klaviatuuri külge ühendatud. Selle konfigureerimiseks ja piltide teise arvutisse kopeerimiseks kasutate ssh & scp -d üsna vähe.
• Kindlasti lubage automaatne sisselogimine ssh kaudu, et te ei peaks oma parooli iga kord käsitsi sisestama
• Paljud inimesed ühendavad kaamera, kuid unustavad selle lubada
• Keelake GUI -režiim. Peate töötama peata, nii et pole vaja kulutada süsteemiressursse X -serveri käitamiseks
• Installige gpio pakett apt-get vms abil
• Seadke ajavööndiks UTC Kui soovite, et teie pildid oleksid iga päev samal kellaajal ja te ei tahaks, et suveaeg paiskaks minema. Lihtsaim kasutada UTC -d.

Nüüd oleks hea aeg kaameramooduliga katsetada. Kasutage mõne pildi tegemiseks programmi „raspistill”. Samuti peaksite katsetama käsurea suvanditega, et näha, kuidas säriaega kontrollitakse.

Riistvara liidesed

Kaameramoodulil on oma spetsiaalne lintkaabli liides, kuid relee ja servo juhtimiseks kasutame GPIO tihvte. Pange tähele, et ühises kasutuses on kaks erinevat numeratsiooniskeemi ja seda on lihtne segadusse ajada. Ma eelistan kasutada käsku gpio suvandit „-g”, et saaksin kasutada ametlikke PIN-numbreid.

Teie nööpnõelte valik võib erineda, kui teil on minu jaoks erinev mudel Pi. Tutvuge konkreetse mudeli pinout -diagrammidega.

• Pin 23 - digitaalne väljund releele See signaal lülitab relee sisse, mis annab servole toite
• Pin 18 - PWM servole Servoasendit juhib impulsi laiuse modulatsiooni signaal
• Maandus - piisab igasugusest maandusnõelast

Nende tihvtide juhtimiseks vaadake lisatud kestaskripte.

Märkus. Selle saidi üleslaadimisdialoog vaidlustas minu katsed üles laadida.sh -ga lõppenud faile. Nii nimetasin nad ümber laiendiga.notsh ja üleslaadimine töötas hästi. Tõenäoliselt soovite need enne kasutamist ümber nimetada „.sh” -ks.

crontab

Kuna ma tahan pildistada iga viie minuti tagant umbes 2,5 tunni jooksul, kasutasin crontab -i, mis on süsteemiprogramm ajastatud käskude käivitamiseks isegi siis, kui te pole sisse logitud. Selle süntaks on natuke kohmakas, seega kasutage otsingumootor, et saada rohkem üksikasju. Minu crontabi asjakohased read on lisatud.

Nende kirjete eesmärk on a) pildistada iga viie minuti tagant, kui päikesefilter on paigas ja b) oodata paar tundi ja teha paar pilti, kui filtrit pole.

5. samm: projektikast

Kavatsen selle jaotise juhistega tõesti kokku hoida ja jätan teid oma kujutlusvõimele. Põhjus on selles, et iga paigaldus on erinev ja sõltub sellest, kuhu te projekti installite, ja materjalitüüpidest, millega töötate.

Projekti kasti kõige olulisem aspekt on see, et see oleks paigutatud nii, et see ei liiguks kergesti. Kaamera ei tohiks liikuda, kui hakkate pildistama. Vastasel juhul peate kirjutama tarkvara piltide registreerimiseks ja kõigi piltide digitaalseks reastamiseks. Parem, kui teil on fikseeritud platvorm, et te ei peaks selle probleemiga tegelema.

Oma projektikarbi jaoks kasutasin 1/2 "MDF -i, väikest tükki 1/4" vineeri, 3D -trükitud raami, et hoida kaamerat soovitud nurga all, ja mõnda valget lainepappi. Viimane tükk asetatakse 3D -prinditud raami ette, et kaitsta seda otsese päikesevalguse eest ja vältida võimalikke väändumisprobleeme.

Jätsin karbi taga- ja ülaosa lahti juhuks, kui pean elektroonika juurde jõudma, kuid seda pole veel juhtunud. See on töötanud juba seitse nädalat, ilma et oleksin vajanud mingeid parandusi või muudatusi.

Liigutatav filter

Ainus projektikarbi osa, mis väärib selgitust, on teisaldatava käega servo.

Tavaline Raspberry Pi kaameramoodul ei tööta nii hästi, kui suunate selle lihtsalt päikese poole ja pildistate. Usu mind selles … proovisin.

Päikesest kasutatava pildi saamiseks peate objektiivi ette panema päikesefiltri. Tõenäoliselt on selle jaoks võimalik osta kalleid eelnevalt valmistatud filtreid, kuid ma tegin selle ise, kasutades väikest tükki päikesekilet ja 1/4 HDPE tükki, millesse on lõigatud ümmargune auk. Päikesekile saab osta Amazon umbes 12 dollari eest. Tagantjärele oleksin võinud tellida palju väiksema tüki ja säästa natuke raha. Kui teil on mõni vana päikesevarjutuse prill kasutamata, siis võib -olla saate ühe objektiivi lõigata ja sobiva filtri teha.

Filtri liigutamine

Kuigi enamik teie tehtud pilte on filtriga paigas, soovite pilte saada ka muul ajal, kui päike on raamist väljas. Neid kasutate taustapiltidena oma filtreeritud päikesepiltide katmiseks. Saate selle ehitada nii, et liigutate filtrit käsitsi ja võtate need taustpildid, kuid mul oli täiendav servo ja tahtsin seda sammu automatiseerida.

Milleks relee on mõeldud?

Selle vahel, kuidas Pi PWM-signaale genereerib, ja minu kasutatava madala kvaliteediga servo vahel oli aegu, kus ma lülitan kõik sisse ja servo lihtsalt istub ja "lobiseb". See tähendab, et see liiguks edasi -tagasi väga väikeste sammudega, püüdes leida täpset asukohta, mida Pi käskis. See muutis servo väga kuumaks ja tegi tüütu häält. Seega otsustasin kasutada releed, et toita servot ainult kahel korral päevas, mil tahan teha filtreerimata pilte. See nõudis Pi jaoks teise digitaalse väljundtihvti kasutamist, et anda releele juhtimissignaal.

6. samm: toite pakkumine

Selles projektis on vaja nelja elementi:

1. Vaarika Pi
2. WiFi-dongle (kui kasutate hilisemat mudelit Pi koos sisseehitatud WiFi-ga, pole see vajalik)
3. 5V relee
4. Servo

Tähtis: ärge proovige servot toita otse Raspberry Pi 5V pistikust. Servo tõmbab rohkem voolu kui Pi suudab pakkuda ja teete plaadile korvamatut kahju. Selle asemel kasutage servo ja relee toiteks eraldi toiteallikat.

Mida ma tegin, kasutasin ühte 5 V seintüügast Pi toiteks ja teist vana USB -jaoturi toiteks. Rummu kasutatakse WiFi-dongli ühendamiseks ning relee ja servo toiteks. Servol ja releel pole USB -pesasid, nii et võtsin vana USB -kaabli ja lõikasin seadme otsast pistiku. Seejärel eemaldasin 5V ja maandusjuhtmed ning ühendasin relee ja servoga. See andis nendele seadmetele energiaallika, ohustamata Pi kahjustamist.

Märkus. Pi ja välised komponendid ei ole täiesti sõltumatud. Kuna teil on juhtsignaalid, mis tulevad Pi -st releele ja servole, peab teil olema ka maandusjoon, mis läheb nendelt üksustelt tagasi Pi -le. Jaoturi ja Pi vahel on ka USB-ühendus, et wi-fi saaks töötada. Elektrotehnik ilmselt värisema võimaliku maasilmuse ja muude elektriliste pahanduste pärast, kuid see kõik toimib, nii et ma ei muretse inseneriteaduse taseme puudumise pärast.:)

Samm: pange see kõik kokku

Kui olete kõik osad ühendanud, tuleb järgmine samm paigaldada servo, katikuhoob ja kaamera kinnitusplaadile.

Ühel ülaltoodud pildil näete katikuhooba asendis (miinus päikesekile, mida ma polnud veel teipinud). Katiku õlg on valmistatud 1/4 HDPE -st ja kinnitatakse ühe standardse jaoturi abil, mis oli servoga kaasas.

Teisel pildil näete kinnitusplaadi tagakülge ja seda, kuidas servo ja kaamera on kinnitatud. Pärast selle pildi tegemist kujundasin ümber valge tüki, mida näete, et kaamera objektiiv katiku õlale lähemale jõuda, ja trükkisin selle seejärel uuesti roheliseks. Sellepärast teistel piltidel valget osa pole.

Ettevaatuse sõna

Kaameramoodulil on plaadil väga pisike lintkaabel, mis ühendab tegeliku kaamera ülejäänud elektroonikaga. Sellel väikesel pistikul on tüütu kalduvus pistikupesast sageli välja hüpata. Kui see välja hüppab, teatab raspistill, et kaamera pole ühendatud. Veetsin palju aega viljata suurema lintkaabli mõlema otsa istutamist, enne kui mõistsin, kus peitub tõeline probleem.

Pärast seda, kui mõistsin, et probleem oli plaadil olevas väikeses kaablis, proovisin seda Kaptoni teibiga all hoida, kuid see ei töötanud ja lõpuks kasutasin kuuma liimi. Siiani on liim seda paigal hoidnud.

8. samm: saidi valimine

Maailma suurepärased teleskoobid asuvad Peruu, Hawaii või mõne muu suhteliselt kauge asukoha mäetippudel. Selle projekti jaoks sisaldas minu täielik kandidaatsaitide loend järgmist:

• Minu maja ida poole suunatud aknalaud
• Minu maja läänepoolne aknalaud
• Minu maja lõunapoolne aknalaud

Sellest nimekirjast puuduvad eriti Peruu ja Hawaii. Arvestades neid valikuid, mida ma siis tegema pidin?

Lõunapoolsel aknal on laia laiusega ruum, millel ei ole hooneid näha, kuid ilmastikukindluse probleemi tõttu pole see optiliselt selge. Lääne poole suunatud aknast avaneb suurepärane vaade Pikes Peakile ja see oleks teinud suurepärase vaate, kuid see asub peretoas ja mu naisele ei pruugi meeldida, kui minu teadusprojekti kogu aasta jooksul nii silmapaistvalt kuvatakse. See jättis mulle idapoolse vaate, mis paistab suurele antennitornile ja kohaliku Safeway tagaküljele. Mitte väga ilus, kuid see oli parim valik.

Tõepoolest, kõige tähtsam on leida koht, kus projekti ei rünnata, liigutata ega muul viisil häirida. Niikaua kui saate päikest kaadrisse kaks tundi päevas, töötab mis tahes suund.

9. samm: pildistamine

Pilves taevas

Ma elan juhtumisi kusagil, kus paistab igal aastal palju päikest, mis on hea, sest pilved mängivad piltidega tõesti laastavalt. Kui on vähese pilvisusega ilmub päike pigem kahvaturohelise ketasena kui selgelt määratletud oranži ketasena, mis mul pilvitu päevaga kaasneb. Kui on üsna hägune, ei ilmu pildile midagi.

Olen hakanud nende probleemide leevendamiseks kirjutama mõnda pilditöötlustarkvara, kuid see kood pole veel valmis. Kuni selle ajani pean ma lihtsalt ilmateadete ümber töötama.

Varundage oma andmed

Kasutatava kaamera ja tehtud piltide arvuga genereerin iga päev umbes 70 MB pilte. Isegi kui Pii mikro-SD-kaart oleks piisavalt suur, et mahutada aasta andmeid, ei usaldaks ma seda. Iga paari päeva tagant kasutan hiljutiste andmete töölauale kopeerimiseks scp -d. Seal vaatan pilte, et veenduda, kas nendega on kõik korras ja et midagi imelikku ei juhtunud. Seejärel kopeerin kõik need failid oma NAS -i, nii et mul oleks andmetest kaks sõltumatut koopiat. Pärast seda lähen tagasi Pi juurde ja kustutan algsed failid.

Samm 10: Analemma (või… astronoomiliselt suur kaheksas joonis)

Lisaks aksiaalse kalde ja laiuskraadi määramisele võib iga päev samal ajal pildistamine pakkuda meile ka väga laheda vaate Päikese teele aasta jooksul.

Kui olete kunagi näinud filmi „Eemaldage koos Tom Hanksiga”, võite mäletada stseeni koopas, kus ta aja jooksul märkis päikese tee ja see tegi kaheksa numbri. Kui ma seda stseeni esimest korda nägin, tahtsin selle nähtuse kohta rohkem teada saada ja vaid seitseteist aastat hiljem hakkan lõpuks seda tegema!

Seda kuju nimetatakse analemmaks ja see on tingitud Maa telje kaldest ja asjaolust, et Maa orbiit on elliptiline ja mitte täiuslik ring. Filmile jäädvustamine on sama lihtne kui kaamera seadistamine ja pildi tegemine iga päev samal ajal. Kuigi veebis on palju väga häid analemma pilte, on üks selle projektiga seotud asjadest meie enda loodud. Lisateavet analemma ja selle kohta, kuidas olla päris kasuliku almanahhi keskpunkt, leiate sellest artiklist.

Enne digitaalse fotograafia tulekut nõudis analemma pildi jäädvustamine tegelikke fotograafiaoskusi, kuna sama filmi puhul peaksite hoolikalt tegema mitu säritust. Ilmselt pole Raspberry Pi kaameral filmi, nii et oskuste ja kannatlikkuse asemel ühendame sama efekti saamiseks lihtsalt mitu digitaalset pilti.

11. samm: mis saab edasi?

Nüüd, kui väike kaamera-robot on paigas ja teeb iga päev ustavalt pilte, mis edasi? Nagu selgub, on veel palju asju, mida teha. Pange tähele, et enamik neist hõlmab pythoni kirjutamist ja OpenCV kasutamist. Mulle meeldib python ja olen soovinud vabandust OpenCV õppimiseks, nii et see on minu jaoks kasulik!

1. Tuvastab automaatselt hägused päevad. Kui on liiga hägune, annavad päikesekile ja lühike säriaeg läbipaistmatu pildi. Tahan selle tingimuse automaatselt tuvastada ja seejärel kas pikendada säriaega või nihutada päikesefiltrit teelt välja.
2. Kasutage pilditöötlust päikese leidmiseks isegi häguste piltide puhul. Ma kahtlustan, et päikese keskpunkti on võimalik leida isegi siis, kui pilved on teel.
3. Katke päikesekettad selgele taustapildile, et moodustada jälg päikese teekonnast päeva jooksul
4. Sama põhitehnika nagu viimane samm, kuid kasutades iga päev samal ajal tehtud pilte
5. Mõõda kaamera nurk -eraldusvõime (kraadid/piksel). Seda vajan oma hilisemate arvutuste jaoks

Seal on rohkem kui see, kuid see hoiab mind mõneks ajaks hõivatud.

Aitäh, et olete minuga lõpuni kinni pidanud. Loodan, et teile meeldis see projekti kirjeldus ja see motiveerib teid oma järgmise projektiga tegelema!