Observatori Solar: 11 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Quina és la inclinació de l'eix de la Terra? A quina latitud estic?

Si voleu la resposta ràpidament, podeu dirigir-vos a Google o a una aplicació GPS al telèfon intel·ligent. Però si teniu un Raspberry Pi, un mòdul de càmera i aproximadament un any per fer algunes observacions, podeu determinar les respostes a aquestes preguntes vosaltres mateixos. En configurar una càmera amb un filtre solar en un lloc fix i utilitzar el Pi per fer fotos a la mateixa hora cada dia, podeu reunir moltes dades sobre el camí del sol a través del cel i, per extensió, el camí de la Terra al voltant el sol. En aquest instructiu, us mostro com vaig fer el meu propi observatori solar per menys de 100 dòlars.

Abans d’anar molt més enllà, però, hauria d’assenyalar que només tinc dos mesos en el meu experiment d’un any, de manera que no podré incloure els resultats finals. Tot i això, puc compartir la meva experiència construint aquest projecte i espero que us doni una idea de com construir el vostre.

Tot i que no és gens difícil, aquest projecte ofereix l’oportunitat d’exercir diverses habilitats diferents. Com a mínim, haureu de poder connectar un Raspberry Pi a una càmera i a un servo i haureu de poder desenvolupar algun nivell de programari per extreure dades de les fotografies que feu. També vaig fer servir eines bàsiques per treballar la fusta i una impressora 3D, però no són crucials per a aquest projecte.

També descriuré l'esforç de recopilació de dades a llarg termini que he realitzat i com utilitzaré OpenCV per convertir centenars d'imatges en dades numèriques que es puguin analitzar mitjançant un full de càlcul o el llenguatge de programació que trieu. Com a bonificació, també aprofitarem el nostre vessant artístic i veurem algunes imatges visuals interessants.

Pas 1: Tldr; Instruccions breus

Aquest instructable és una mica llarg, així que per començar, aquí teniu els ossos nus, sense instruccions detallades.

1. Obteniu un Raspberry Pi, una càmera, un servo, un relé, una pel·lícula solar, berrugues a la paret i diversos materials
2. Connecteu tot aquest maquinari
3. Configureu el Pi i escriviu alguns scripts senzills per fer fotografies i desar els resultats
4. Construeix una caixa de projecte i munta-hi tot aquest maquinari
5. Cerqueu un lloc on posar el projecte on pugui veure el sol i que no es vegi afectat ni embolicat
6. Posa-ho allà
7. Comenceu a fer fotos
8. Cada pocs dies, moveu les imatges a un altre ordinador perquè no ompliu la targeta SD
9. Comenceu a aprendre OpenCV perquè pugueu extreure dades de les vostres imatges
10. Espera un any

Aquest és el projecte en poques paraules. Ara seguiu llegint per obtenir més informació sobre aquests passos.

Pas 2: antecedents

Els humans hem estat mirant el sol, la lluna i les estrelles des de sempre, i aquest projecte no aconsegueix res que els nostres avantpassats no van fer fa milers d’anys. Però en lloc de col·locar un pal a terra i utilitzar roques per marcar la ubicació de les ombres en moments clau, utilitzarem un Raspberry Pi i una càmera i ho farem tot des de l’interior de la comoditat de les nostres cases. El vostre projecte no serà un lloc turístic d’aquí a mil anys, però, per l’avantatge, tampoc no haureu de lluitar per aconseguir gegantins còdols.

La idea general d’aquest projecte és dirigir una càmera a un lloc fix al cel i fer fotos cada dia a la mateixa hora. Si teniu un filtre adequat a la càmera i la velocitat d'obturació adequada, tindreu imatges nítides i ben definides del disc del sol. Amb aquestes imatges, podeu posar un pal virtual a terra i aprendre algunes coses interessants.

Per mantenir la mida d’aquest manejable, tot el que tractaré és com determinar la inclinació de l’eix de la Terra i la latitud on es fan les fotografies. Si la secció de comentaris indica prou interès, puc parlar d’algunes altres coses que podeu aprendre del vostre observatori solar en un article de seguiment.

Inclinació axial L’angle entre el sol el dia que es troba més al nord i el dia que es troba més al sud és el mateix que la inclinació de l’eix de la Terra. Potser heu après a l’escola que es tracta de 23,5 graus, però ara ho sabreu per les vostres pròpies observacions i no només per un llibre de text.

Latitud: ara que coneixem la inclinació de l'eix de la Terra, resteu-lo de l'elevació del camí del sol el dia més llarg de l'any per conèixer la latitud de la vostra ubicació actual.

Whybviament, podríeu trobar aquests valors amb molta més precisió i rapidesa, però si sou el tipus de persona que llegeix Instructables, sabeu que hi ha molta satisfacció fent-ho vosaltres mateixos. Aprendre dades sobre el món que us envolta utilitzant res més que algunes observacions directes i simples i matemàtiques directes és l’objectiu d’aquest projecte.

Pas 3: components necessaris

Tot i que podeu fer tot aquest projecte amb una càmera de luxe i costosa, no en tinc cap. L’objectiu d’aquest projecte era fer ús del que ja tenia a mà dels projectes anteriors. Això incloïa un Raspberry Pi, un mòdul de càmera i la majoria dels altres elements que es mostren a continuació, tot i que vaig haver d’anar a Amazon per alguns d’ells. El cost total si heu de comprar tot serà d’uns 100 USD.

• Raspberry Pi (qualsevol model ho farà)
• Mòdul de càmera Raspberry Pi
• Cable de cinta més llarg per a la càmera (opcional)
• Dongle sense fil
• Servo estàndard
• Relleu de 5V
• Concentrador USB alimentat
• Tira d'alimentació i cable d'extensió
• Full de pel·lícula solar
• Fusta de ferralla, plàstic, HDPE, etc.
• Tauler de projectes ondulats

També vaig fer ús de la meva impressora 3D Monoprice, però això era una comoditat i no una necessitat. Una mica de creativitat per part vostra us permetrà trobar una manera adequada de sortir sense això.

Pas 4: Configuració del Raspberry Pi

Configuració

No aniré amb molt de detall aquí i suposaré que esteu còmode instal·lant un sistema operatiu al Pi i configurant-lo. Si no, hi ha molts recursos al web per ajudar-vos a començar.

A continuació, es detallen les coses més importants a les quals cal parar atenció durant la configuració.

• Assegureu-vos que la connexió WiFi s’iniciï automàticament quan es reiniciï el Pi
• Activa ssh El projecte s’instal·larà probablement en un lloc fora del camí de manera que no el tingueu connectat a un monitor i un teclat. Utilitzarà ssh & scp bastant per configurar-lo i copiar imatges a un altre ordinador.
• Assegureu-vos d’activar l’inici de sessió automàtic mitjançant ssh per no haver d’introduir la contrasenya manualment cada vegada
• Activa el mòdul de la càmera Molta gent connecta la càmera però s’oblida d’activar-la
• Desactiveu el mode d’interfície gràfica d’usuari: funcionareu sense cap, de manera que no cal gastar recursos del sistema executant un servidor X.
• Instal·leu el paquet gpio amb apt-get o similar
• Establiu la zona horària a UTC. Voleu que les vostres fotografies es facin cada dia a la mateixa hora i que no vulgueu deixar-les fora de l'horari d'estiu. El més fàcil d'utilitzar UTC.

Ara seria un bon moment per experimentar amb el mòdul de càmera. Utilitzeu el programa 'raspistill' per fer unes quantes fotografies. També heu d’experimentar amb les opcions de la línia d’ordres per veure com es controla la velocitat de l’obturador.

Interfícies de maquinari

El mòdul de càmera té la seva pròpia interfície de cable de cinta dedicada, però fem servir els pins GPIO per controlar el relé i el servo. Tingueu en compte que hi ha dos esquemes de numeració diferents d’ús comú i que és fàcil confondre’s. Prefereixo fer servir l'opció '-g' a l'ordre gpio per poder utilitzar els números oficials dels pins.

La vostra selecció de pins pot variar si teniu un model Pi diferent del que estic fent servir. Consulteu els diagrames detallats per al vostre model específic com a referència.

• Pin 23: sortida digital a relé Aquest senyal activa el relé, que proporciona energia al servo
• Pin 18 - PWM al servo La posició del servo està controlada per un senyal de modulació d'amplada de pols
• Terra - Qualsevol passador de terra serà suficient

Consulteu els scripts de shell adjunts per controlar aquests pins.

Nota: El quadre de diàleg de càrrega d'aquest lloc s'oposava als meus intents de pujar fitxers que acabaven en ".sh". Així que els vaig canviar de nom amb una extensió ".notsh" i la càrrega va funcionar bé. Probablement voldreu canviar el nom de ".sh" abans d'utilitzar-lo.

crontab

Com que vull fer fotografies cada cinc minuts durant un període aproximat de 2,5 hores, he utilitzat el crontab, que és una utilitat del sistema per executar ordres programades fins i tot quan no heu iniciat la sessió. motor de cerca que trieu per obtenir més detalls. S'adjunten les línies rellevants del meu crontab.

El que fan aquestes entrades és a) fer una fotografia cada cinc minuts amb el filtre solar al seu lloc ib) esperar unes hores i fer un parell de fotografies sense filtre al seu lloc.

Pas 5: quadre del projecte

Realment escatimaré les instruccions d’aquesta secció i us deixaré a la vostra pròpia imaginació. El motiu és que cada instal·lació serà diferent i dependrà d’on instal·leu el projecte i dels tipus de material amb què esteu treballant.

L'aspecte més important de la caixa del projecte és que es col·loqui de manera que no es pugui moure fàcilment. La càmera no s’ha de moure un cop comenceu a fer fotografies. En cas contrari, haureu d’escriure programari per realitzar el registre d’imatges i alinear totes les imatges digitalment. Millor tenir una plataforma fixa per no haver de fer front a aquest problema.

Per a la caixa del meu projecte, he utilitzat MDF de 1/2 ", un petit tros de fusta contraxapada de 1/4", un marc imprès en 3D per mantenir la càmera en l'angle desitjat i una placa de projecte ondulada blanca. Aquesta darrera peça es col·loca davant del marc imprès en 3D per protegir-la de la llum solar directa i evitar possibles problemes de deformació.

Vaig deixar la part posterior i superior de la caixa oberta per si necessitava arribar a l'electrònica, però això encara no ha passat. Fa set setmanes que funciona sense necessitat de solucions ni modificacions per part meva.

Filtre mòbil

L’única part de la caixa del projecte que mereix alguna explicació és el servo amb el braç mòbil.

El mòdul de càmera Raspberry Pi estàndard no funciona tan bé si només l’heu d’orientar cap al sol i fer una foto. Confia en mi en això … ho vaig intentar.

Per obtenir una imatge útil del sol heu de col·locar un filtre solar davant de l’objectiu. Probablement hi ha filtres prefabricats cars que es poden comprar per a això, però els he fabricat amb un petit tros de pel·lícula solar i un tros de HDPE de 1/4 amb un forat circular tallat. El film solar es pot comprar a Amazon per uns 12 dòlars. En retrospectiva, hauria pogut demanar una peça molt més petita i estalviar una mica de diners. Si teniu uns vells vidres d’eclipsi de sol que no s’utilitzen, és possible que pugueu tallar una de les lents i fer un filtre adequat.

Fer moure el filtre

Tot i que la majoria de les fotografies que feu es faran amb el filtre al seu lloc, també voleu obtenir fotografies en altres moments del dia quan el sol no estigui fora del marc. Això és el que faràs servir com a imatges de fons per superposar les imatges de sol filtrades. Podeu construir-lo de manera que moveu manualment el filtre i feu aquestes imatges de fons, però tenia un servo addicional i volia automatitzar aquest pas.

Per a què serveix el relleu?

Entre la forma en què el Pi genera senyals PWM i el servo de gamma baixa que he utilitzat, hi va haver ocasions en què ho encenia tot i el servo només s’asseia allà i xerrava. És a dir, es mouria endavant i endarrere en passos molt petits mentre intentava trobar la posició exacta que manava el Pi. Això va provocar que el servo s’escalfés i va fer un soroll molest. Així que vaig decidir utilitzar un relé per proporcionar energia al servo només durant les dues vegades al dia que vull fer fotografies sense filtrar. Això requeria l’ús d’un altre pin de sortida digital al Pi per proporcionar el senyal de control al relé.

Pas 6: subministrament d'energia

Hi ha quatre elements que necessiten energia en aquest projecte:

1. Raspberry Pi
2. Dongle Wi-Fi (si utilitzeu un model Pi posterior amb Wi-Fi integrat, no serà necessari)
3. Relleu de 5V
4. Servo

Important: No intenteu alimentar el servo directament des del pin de 5 V del Raspberry Pi. El servo atrau més corrent del que el Pi pot subministrar i causareu un dany irreparable al tauler. En lloc d’això, utilitzeu una font d’alimentació independent per alimentar el servo i el relé.

El que vaig fer va ser utilitzar una berruga de paret de 5V per alimentar el Pi i una altra per alimentar un hub USB antic. El concentrador s'utilitza per connectar el dongle Wi-Fi i per subministrar energia al relé i al servo. El servo i el relé no tenen preses USB, així que vaig agafar un cable USB antic i vaig tallar el connector de l’extrem del dispositiu. Després vaig treure els cables de 5V i de terra i els vaig connectar al relé i al servo. Això proporcionava una font d'energia a aquests dispositius sense arriscar danys al Pi.

Nota: el Pi i els components externs no són completament independents. Com que teniu senyals de control que provenen del Pi al relé i al servo, també heu de tenir una línia de terra que vagi enrere des d’aquests elements al Pi. També hi ha una connexió USB entre el concentrador i el Pi perquè el wi-fi funcioni. Un enginyer elèctric probablement estremiria davant el potencial de tenir bucles a terra i altres malifetes elèctriques, però tot funciona, de manera que no em preocuparé per la manca d’excel·lència en enginyeria.:)

Pas 7: ajuntar-ho tot

Un cop tingueu totes les parts connectades, el següent pas és muntar el servo, el braç de l'obturador i la càmera a la placa de muntatge.

En una imatge de dalt, podeu veure el braç de l'obturador en posició (menys la pel·lícula solar, que encara no havia gravat). El braç de l'obturador està format per HDPE d'1 / 4 i s'uneix mitjançant un dels hubs estàndard que s'inclouen amb el servo.

A l’altra imatge, podeu veure la part posterior de la placa de muntatge i com s’uneixen el servo i la càmera. Després de fer aquesta fotografia, vaig redissenyar la peça blanca que veieu per apropar l’objectiu de la càmera al braç de l’obturador i la vaig tornar a imprimir en verd. És per això que en altres imatges la part blanca no és present.

Paraula de precaució

El mòdul de la càmera té un petit cable de cinta molt petit a la placa que connecta la càmera real amb la resta d’electrònics. Aquest petit connector té una molesta tendència a sortir amb freqüència del sòcol. Quan surt, raspistill informa que la càmera no està connectada. Vaig passar molt de temps tornant a assentar infructuosament els dos extrems del cable de cinta més gran abans d’adonar-me d’on es trobava el problema real.

Després d’adonar-me que el problema era el petit cable de la placa, vaig provar de mantenir-lo premut amb cinta Kapton, però això no va funcionar i finalment vaig recórrer a una mica de cola calenta. Fins ara, la cola l’ha mantingut al seu lloc.

Pas 8: Selecció del lloc

Els grans telescopis del món es troben als cims de les muntanyes del Perú, Hawaii o alguna altra ubicació relativament remota. Per a aquest projecte, la meva llista completa de llocs candidats va incloure:

• Un rebord de la finestra orientat a l’est a casa meva
• Un rebord de la finestra orientat a l’oest a casa meva
• Un davall de finestra a casa meva

Destaquen, per descomptat, el Perú i Hawaii. Donades aquestes opcions, què havia de fer?

La finestra orientada al sud té una extensió molt oberta sense edificis a la vista, però a causa d’un problema amb el segell meteorològic, no està òpticament clar. La finestra orientada a l'oest inclou una vista fantàstica sobre Pikes Peak i hauria estat fantàstica, però es troba a l'habitació familiar i a la meva dona potser no li agradaria que el meu projecte científic es mostri de manera tan destacada durant tot un any. Això em va deixar amb la vista orientada a l’est que dóna a una gran torre d’antena i a la part posterior del Safeway local. No molt bonic, però aquesta va ser la millor opció.

Realment, el més important és trobar un lloc on el projecte no es veurà embolicat, traslladat ni alterat. Sempre que pugueu aconseguir el sol durant dues hores cada dia, qualsevol direcció funcionarà.

Pas 9: fer fotografies

Cel ennuvolat

Jo visc per casualitat en un lloc que fa molta sol cada any, cosa que és bona ja que els núvols realment fan estralls amb les imatges. Si està una mica ennuvolat, el sol surt com un disc de color verd pàl·lid en lloc del disc taronja ben definit que tinc en un dia sense núvols. Si està força ennuvolat, no apareix res a la imatge.

He començat a escriure alguns programes de processament d'imatges per ajudar a pal·liar aquests problemes, però aquest codi encara no està preparat. Fins aleshores, només he de treballar al voltant dels capricis del temps.

Feu una còpia de seguretat de les vostres dades

Amb la càmera que faig servir i el nombre de fotografies que faig, genero uns 70 MB d’imatges cada dia. Fins i tot si la targeta micro-SD del Pi fos prou gran com per contenir un any de dades, no me’n fiaria. Cada pocs dies, faig servir scp per copiar les dades recents al meu escriptori. Allà veig les imatges per assegurar-me que estiguin bé i que no passi res estrany. Després copio tots aquests fitxers al meu NAS perquè tingui dues còpies independents de les dades. Després d'això, torno al Pi i elimino els fitxers originals.

Pas 10: Analema (o … una figura vuit astronòmicament gran)

A més de determinar la inclinació axial i la latitud, fer fotos cada dia a la mateixa hora també ens pot proporcionar una visió molt fresca del recorregut del Sol al llarg d’un any.

Si alguna vegada heu vist la pel·lícula Cast Away amb Tom Hanks, potser recordareu l’escena de la cova on va marcar el camí del sol amb el pas del temps i va fer una figura vuit. Quan vaig veure aquella escena per primera vegada, volia aprendre més sobre aquest fenomen i, només disset anys després, finalment vaig a fer això.

Aquesta forma s’anomena analema i és el resultat de la inclinació de l’eix terrestre i del fet que l’òrbita terrestre és el·líptica i no un cercle perfecte. Capturar una pel·lícula és tan senzill com configurar una càmera i fer una foto cada dia a la mateixa hora. Tot i que hi ha moltes imatges molt bones d’analema a la xarxa, una de les coses que farem en aquest projecte és crear la nostra. Per obtenir més informació sobre l’analema i com es pot ser l’eix central d’un almanac força útil, vegeu aquest article.

Abans de l’aparició de la fotografia digital, la captura d’una imatge d’un analema requeria habilitats fotogràfiques reals, ja que hauríeu de fer diverses exposicions amb cura sobre la mateixa peça de pel·lícula. Camerabviament, la càmera Raspberry Pi no té pel·lícula, de manera que, en lloc d’habilitat i paciència, simplement combinarem diverses imatges digitals per obtenir el mateix efecte.

Pas 11: què passa?

Ara que el petit robot-càmera està al seu lloc i fa fotografies fidelment cada dia, què passa? Resulta que encara queden moltes coses per fer. Tingueu en compte que la majoria d’ells implicaran escriure python i utilitzar OpenCV. M'agrada el python i he estat desitjant una excusa per aprendre OpenCV, de manera que és un avantatge per a mi.

1. Detecta automàticament els dies ennuvolats Si està massa ennuvolat, la pel·lícula solar i la velocitat d’obturació curta permeten obtenir una imatge opaca. Vull detectar aquesta condició automàticament i, a continuació, augmentar la velocitat de l'obturador o deixar de banda el filtre solar.
2. Utilitzeu el processament d’imatges per trobar el sol, fins i tot en imatges ennuvolades. Sospito que és possible trobar el punt central del sol, fins i tot si s’interposen els núvols.
3. Recobriu els discos solars en una imatge de fons clara per formar un rastre del camí del sol durant el dia
4. Creeu un analema: la mateixa tècnica bàsica que l’últim pas, però utilitzant imatges preses a la mateixa hora cada dia
5. Mesureu la resolució angular de la càmera (graus / píxel). Ho necessitaré per als meus càlculs posteriors

Hi ha més que això, però això em mantindrà ocupat una estona.

Gràcies per seguir amb mi fins al final. Espero que us hagi agradat aquesta descripció del projecte i que us motivi a abordar el vostre propi projecte.