Zonneobservatorium - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Wat is de helling van de aardas? Op welke breedtegraad ben ik?

Wil je snel het antwoord, dan wend je je tot Google of een gps-app op je smartphone. Maar als je een Raspberry Pi, een cameramodule en een jaar of wat hebt om wat observaties te doen, kun je zelf de antwoorden op deze vragen bepalen. Door een camera met een zonnefilter op een vaste locatie te plaatsen en de Pi te gebruiken om elke dag op hetzelfde tijdstip foto's te maken, kun je veel gegevens verzamelen over het pad van de zon door de lucht en, bij uitbreiding, het pad van de aarde rond de zon. In deze Instructable laat ik je zien hoe ik mijn eigen zonne-observatorium heb gemaakt voor minder dan $ 100.

Voordat we echter veel verder gaan, moet ik erop wijzen dat ik nog maar twee maanden bezig ben met mijn experiment van een jaar, dus ik zal de definitieve resultaten niet kunnen opnemen. Ik kan echter mijn ervaring met het bouwen van dit project delen en u hopelijk een idee geven van hoe u uw eigen project kunt bouwen.

Hoewel het helemaal niet moeilijk is, biedt dit project de mogelijkheid om verschillende vaardigheden te oefenen. Je moet minimaal een Raspberry Pi kunnen aansluiten op een camera en een servo en je moet een bepaald niveau van softwareontwikkeling kunnen doen om gegevens te extraheren uit de foto's die je maakt. Ik heb ook gebruik gemaakt van basisgereedschap voor houtbewerking en een 3D-printer, maar deze zijn niet cruciaal voor dit project.

Ik zal ook de inspanningen beschrijven die ik op lange termijn heb ondernomen om gegevens te verzamelen en hoe ik OpenCV zal gebruiken om honderden afbeeldingen om te zetten in numerieke gegevens die kunnen worden geanalyseerd met behulp van een spreadsheet of uw programmeertaal naar keuze. Als bonus maken we ook gebruik van onze kunstzinnige kant en bekijken we enkele interessante visuele beelden.

Stap 1: Tldr; Korte instructies

Deze Instructable is een beetje aan de lange kant, dus om te beginnen, hier zijn de kale, geen extra gedetailleerde instructies.

1. Koop een Raspberry Pi, camera, servo, relais, zonnefilm, muurwratten en diverse hardware
2. Sluit al die hardware aan
3. Configureer de Pi en schrijf enkele eenvoudige scripts om foto's te maken en de resultaten op te slaan
4. Bouw een projectdoos en monteer al die hardware erin
5. Zoek een plek om het project te plaatsen waar het de zon kan zien en het niet zal worden gestoten of geduwd
6. Zet het daar
7. Begin met het maken van foto's
8. Verplaats de foto's om de paar dagen naar een andere computer, zodat je SD-kaart niet vol raakt
9. Begin met het leren van OpenCV, zodat u gegevens uit uw afbeeldingen kunt extraheren
10. Wacht een jaar

Dat is het project in een notendop. Lees nu verder voor meer informatie over deze stappen.

Stap 2: Achtergrond

Mensen kijken al zo lang als we bestaan naar de zon, de maan en de sterren en dit project bereikt niets dat onze voorouders duizenden jaren geleden niet hebben gedaan. Maar in plaats van een stok in de grond te steken en stenen te gebruiken om de locaties van schaduwen op belangrijke momenten te markeren, gebruiken we een Raspberry Pi en een camera en doen we het allemaal vanuit het comfort van onze huizen. Uw project zal over duizend jaar geen toeristische site zijn, maar het positieve is dat u ook niet hoeft te worstelen om gigantische rotsblokken op hun plaats te krijgen.

Het algemene idee in dit project is om een camera op een vaste locatie in de lucht te richten en elke dag op hetzelfde tijdstip foto's te maken. Als je een geschikt filter op je camera hebt en de juiste sluitertijd, heb je scherpe, goed gedefinieerde beelden van de schijf van de zon. Met behulp van deze foto's kun je een virtuele stok in de grond steken en heel wat interessante dingen leren.

Om de grootte van deze Instructable beheersbaar te houden, zal ik het alleen hebben over het bepalen van de helling van de aardas en de breedtegraad waar de foto's worden gemaakt. Als het opmerkingengedeelte voldoende interesse aangeeft, kan ik in een vervolgartikel praten over enkele van de andere dingen die u van uw zonne-observatorium kunt leren.

Axiale helling De hoek tussen de zon op de dag dat hij het verst naar het noorden staat en de dag dat hij het verst naar het zuiden staat, is dezelfde als de helling van de aardas. Je hebt misschien op school geleerd dat dit 23,5 graden is, maar nu weet je dit uit je eigen waarnemingen en niet alleen uit een leerboek.

Breedtegraad Nu we de helling van de aardas kennen, trekt u die af van de hoogte van het pad van de zon op de langste dag van het jaar om de breedtegraad van uw huidige locatie te leren.

Waarom zou je je druk maken? Het is duidelijk dat je deze waarden veel nauwkeuriger en sneller kunt vinden, maar als je het type persoon bent dat Instructables leest, weet je dat het veel voldoening geeft om het zelf te doen. Het hele punt van dit project is het leren van feiten over de wereld om je heen met behulp van niets meer dan enkele eenvoudige, directe observaties en ongecompliceerde wiskunde.

Stap 3: Vereiste componenten

Hoewel je dit hele project zou kunnen doen met een behoorlijk dure en mooie camera, heb ik er geen. Een doel van dit project was om gebruik te maken van wat ik al bij de hand had van eerdere projecten. Dit omvatte een Raspberry Pi, cameramodule en de meeste andere items die hieronder worden vermeld, hoewel ik voor een paar ervan naar Amazon moest. De totale kosten als u alles moet kopen, bedragen ongeveer 100 USD.

• Raspberry Pi (elk model zal het doen)
• Raspberry Pi-cameramodule
• Langere lintkabel voor camera (optioneel)
• Draadloze dongle
• Standaard servo
• 5V relais
• USB-hub met voeding
• Stekkerdoos en verlengsnoer
• Vel zonnefilm
• Schroothout, plastic, HDPE, enz
• Gegolfd projectbord

Ik heb ook gebruik gemaakt van mijn Monoprice 3D-printer, maar dat was een gemak en geen noodzaak. Met een beetje creativiteit van jouw kant kun je een geschikte manier bedenken om het zonder te doen.

Stap 4: De Raspberry Pi configureren

Opstelling

Ik ga hier niet veel in detail treden en ga ervan uit dat je vertrouwd bent met het installeren van een besturingssysteem op de Pi en het configureren ervan. Zo niet, dan zijn er tal van bronnen op internet om u op weg te helpen.

Dit zijn de belangrijkste dingen om op te letten tijdens het instellen.

• Zorg ervoor dat je wifi-verbinding automatisch opstart wanneer de Pi opnieuw opstart
• Schakel ssh in Het project zal waarschijnlijk op een afgelegen plek worden geïnstalleerd, zodat u het niet aan een monitor en toetsenbord hoeft te hangen. Je zult nogal wat ssh & scp gebruiken om het te configureren en afbeeldingen naar een andere computer te kopiëren.
• Zorg ervoor dat u automatisch inloggen via ssh inschakelt, zodat u uw wachtwoord niet elke keer handmatig hoeft in te voeren
• Schakel de cameramodule in Veel mensen sluiten de camera aan, maar vergeten deze in te schakelen
• Schakel de GUI-modus uit U werkt zonder hoofd, dus het is niet nodig om systeembronnen te besteden aan het uitvoeren van een X-server
• Installeer het gpio-pakket met apt-get of iets dergelijks
• Stel de tijdzone in op UTC U wilt dat uw foto's elke dag op dezelfde tijd worden gemaakt en dat u niet door de zomertijd wordt weggegooid. Het eenvoudigst is om gewoon UTC te gebruiken.

Dit zou een goed moment zijn om te experimenteren met de cameramodule. Gebruik het programma 'raspistill' om een paar foto's te maken. U moet ook experimenteren met de opdrachtregelopties om te zien hoe de sluitertijd wordt geregeld.

Hardware-interfaces

De cameramodule heeft zijn eigen speciale lintkabelinterface, maar we gebruiken de GPIO-pinnen om het relais en de servo te besturen. Merk op dat er twee verschillende nummeringsschema's zijn die algemeen worden gebruikt en dat het gemakkelijk is om in de war te raken. Ik gebruik liever de '-g'-optie voor het gpio-commando, zodat ik de officiële pincodes kan gebruiken.

Je selectie van pinnen kan variëren als je een ander model Pi hebt dan degene die ik gebruik. Raadpleeg de pinout-diagrammen voor uw specifieke model ter referentie.

• Pin 23 - Digitale uitgang naar relais Dit signaal schakelt het relais in, dat de servo van stroom voorziet
• Pin 18 - PWM naar de servo De servopositie wordt bestuurd door een pulsbreedtemodulatiesignaal
• Grond - Elke aardpen is voldoende

Zie de bijgevoegde shell-scripts voor het besturen van deze pinnen.

Opmerking: het uploadvenster op deze site maakte bezwaar tegen mijn pogingen om bestanden te uploaden die eindigden op '.sh'. Dus hernoemde ik ze met een '.notsh'-extensie en de upload werkte prima. U zult ze waarschijnlijk voor gebruik willen hernoemen naar '.sh'.

crontab

Omdat ik elke vijf minuten foto's wil maken gedurende een periode van ongeveer 2,5 uur, heb ik crontab gebruikt, een systeemhulpprogramma voor het uitvoeren van geplande opdrachten, zelfs als je niet bent ingelogd. De syntaxis hiervoor is een beetje onhandig, dus gebruik de zoekmachine van uw keuze voor meer informatie. De relevante regels uit mijn crontab zijn bijgevoegd.

Wat deze vermeldingen doen, is a) elke vijf minuten een foto maken met het zonnefilter op zijn plaats en b) een paar uur wachten en een paar foto's maken zonder filter.

Stap 5: Projectbox

Ik ga echt beknibbelen op instructies in dit gedeelte en laat je aan je eigen fantasie over. De reden is dat elke installatie anders zal zijn en zal afhangen van waar u het project installeert en het soort materiaal waarmee u werkt.

Het belangrijkste aspect van de projectdoos is dat deze zo wordt geplaatst dat hij niet gemakkelijk kan verschuiven. De camera mag niet bewegen zodra u begint met het maken van foto's. Anders moet u software schrijven om beeldregistratie uit te voeren en alle foto's digitaal uit te lijnen. Het is beter om een vast platform te hebben, zodat je dat probleem niet hebt.

Voor mijn projectdoos gebruikte ik 1/2" MDF, een klein stukje 1/4" multiplex, een 3D-geprint frame om de camera in de gewenste hoek te houden en een wit golfkarton. Dat laatste stuk wordt voor het 3D-geprinte frame geplaatst om het te beschermen tegen direct zonlicht en mogelijke problemen met kromtrekken te voorkomen.

Ik heb de achterkant en bovenkant van de doos opengelaten voor het geval ik bij de elektronica moet, maar dat is nog niet gebeurd. Het werkt nu zeven weken zonder dat ik fixes of tweaks nodig heb.

Beweegbaar FIlter

Het enige onderdeel van de projectbox dat enige uitleg verdient, is de servo met de beweegbare arm.

De standaard Raspberry Pi-cameramodule werkt niet zo goed als je hem gewoon op de zon richt en een foto maakt. Geloof me hierin … Ik heb het geprobeerd.

Om een bruikbaar beeld van de zon te krijgen moet je een zonnefilter voor de lens plaatsen. Er zijn waarschijnlijk dure kant-en-klare filters die je hiervoor kunt kopen, maar ik heb er zelf een gemaakt met een klein stukje zonnefilm en een stuk 1/4 HDPE met een cirkelvormig gat erin. De zonnefilm kan worden gekocht bij Amazon voor ongeveer $ 12. Achteraf had ik een veel kleiner stuk kunnen bestellen en wat geld kunnen besparen. Als je een oude zonsverduisteringsbril ongebruikt hebt liggen, kun je misschien een van de lenzen knippen en een geschikt filter maken.

Het filter laten bewegen

Hoewel de meeste foto's die u maakt met het filter zijn aangebracht, wilt u ook foto's maken op andere momenten van de dag wanneer de zon buiten beeld is. Dit is wat u gaat gebruiken als achtergrondafbeeldingen voor het overlappen van uw gefilterde zonnefoto's. Je zou het zo kunnen bouwen dat je het filter handmatig verplaatst en deze achtergrondafbeeldingen maakt, maar ik had een extra servo liggen en wilde die stap automatiseren.

Waar is het relais voor?

Tussen de manier waarop de Pi PWM-signalen genereert en de low-end servo die ik gebruikte, waren er tijden dat ik alles aan zou zetten en de servo gewoon daar zou zitten en "babbelen". Dat wil zeggen, het zou in zeer kleine stappen heen en weer bewegen terwijl het probeerde de exacte positie te vinden die de Pi aan het bevel voerde. Hierdoor werd de servo erg heet en maakte een vervelend geluid. Dus besloot ik een relais te gebruiken om de servo alleen van stroom te voorzien gedurende de twee keer per dag dat ik ongefilterde foto's wil maken. Dit vereiste het gebruik van een andere digitale uitgangspen op de Pi om het stuursignaal aan het relais te leveren.

Stap 6: Stroom leveren

Er zijn vier items die stroom nodig hebben in dit project:

1. Raspberry Pi
2. Wi-Fi-dongle (Als u een later model Pi met ingebouwde Wi-Fi gebruikt, is dit niet nodig)
3. 5V relais
4. Servo

Belangrijk: probeer de servo niet rechtstreeks van stroom te voorzien via de 5V-pin op de Raspberry Pi. De servo trekt meer stroom dan de Pi kan leveren en je zult het bord onherstelbaar beschadigen. Gebruik in plaats daarvan een aparte stroombron om de servo en het relais van stroom te voorzien.

Wat ik deed, was een 5V-muurwrat gebruiken om de Pi van stroom te voorzien en een andere om een oude USB-hub van stroom te voorzien. De hub wordt gebruikt voor het aansluiten van de wifi-dongle en voor het leveren van stroom aan relais en servo. De servo en het relais hebben geen USB-aansluitingen, dus nam ik een oude USB-kabel en knipte de connector van het uiteinde van het apparaat af. Daarna heb ik de 5V- en aardedraden gestript en aangesloten op het relais en de servo. Dit leverde een stroombron voor die apparaten zonder schade aan de Pi te riskeren.

Opmerking: de Pi en de externe componenten zijn niet volledig onafhankelijk. Omdat je stuursignalen hebt die van de Pi naar het relais en de servo komen, moet je ook een grondlijn hebben die teruggaat van die items naar de Pi. Er is ook een USB-verbinding tussen de hub en de Pi zodat de wifi kan werken. Een elektrotechnisch ingenieur zou waarschijnlijk huiveren bij het potentieel voor aardlussen en ander elektrisch onheil, maar het werkt allemaal, dus ik ga me geen zorgen maken over het gebrek aan technische uitmuntendheid.:)

Stap 7: Alles samenbrengen

Nadat u alle onderdelen hebt aangesloten, is de volgende stap het monteren van de servo, de sluiterarm en de camera op de montageplaat.

Op één foto hierboven zie je de sluiterarm in positie (minus de zonnefilm, die ik nog niet had vastgeplakt). De sluiterarm is gemaakt van 1/4 HDPE en is bevestigd met behulp van een van de standaard hubs die bij de servo zijn geleverd.

Op de andere foto zie je de achterkant van de montageplaat en hoe de servo en camera zijn bevestigd. Nadat deze foto was gemaakt, heb ik het witte stuk dat je ziet opnieuw ontworpen om de cameralens dichter bij de sluiterarm te krijgen en het vervolgens in groen opnieuw afgedrukt. Daarom is op andere foto's het witte gedeelte niet aanwezig.

Woord van waarschuwing

De cameramodule heeft een heel klein lintkabeltje op het bord dat de eigenlijke camera verbindt met de rest van de elektronica. Deze kleine connector heeft de vervelende neiging om regelmatig uit zijn socket te springen. Als het eruit springt, meldt raspistill dat de camera niet is aangesloten. Ik heb veel tijd besteed aan het vruchteloos opnieuw plaatsen van beide uiteinden van de grotere lintkabel voordat ik me realiseerde waar het echte probleem lag.

Nadat ik me realiseerde dat het probleem de kleine kabel op het bord was, probeerde ik het vast te houden met Kapton-tape, maar dat werkte niet en uiteindelijk nam ik mijn toevlucht tot een beetje hete lijm. Tot nu toe heeft de lijm het op zijn plaats gehouden.

Stap 8: Siteselectie

'S Werelds grootste telescopen bevinden zich op bergtoppen in Peru, Hawaii of een andere relatief afgelegen locatie. Voor dit project omvatte mijn volledige lijst met kandidaat-sites:

• Een vensterbank op het oosten in mijn huis
• Een vensterbank op het westen in mijn huis
• Een vensterbank op het zuiden in mijn huis

Opvallend afwezig in deze lijst zijn Peru en Hawaï. Dus, gezien deze keuzes, wat moest ik doen?

Het raam op het zuiden heeft een wijd open vlakte zonder gebouwen in het zicht, maar door een probleem met de weersafdichting is het optisch niet helder. Het raam op het westen biedt een geweldig uitzicht op Pikes Peak en zou een geweldig uitzicht hebben opgeleverd, maar het bevindt zich in de familiekamer en mijn vrouw vindt het misschien niet leuk dat mijn wetenschapsproject een heel jaar zo prominent wordt weergegeven. Dat gaf me het uitzicht op het oosten dat uitkijkt op een grote antennetoren en de achterkant van de lokale Safeway. Niet erg mooi maar dat was de beste keuze.

Echt, het belangrijkste is om een plek te vinden waar het project niet wordt verdrongen, verplaatst of anderszins verstoord. Zolang je de zon elke dag twee uur in beeld kunt krijgen, zal elke richting werken.

Stap 9: Foto's maken

Bewolkt

Ik woon toevallig ergens waar elk jaar veel zon is, wat goed is omdat wolken de foto's echt verwoesten. Als het licht bewolkt is, komt de zon tevoorschijn als een lichtgroene schijf in plaats van de duidelijk gedefinieerde oranje schijf die ik op een wolkenloze dag krijg. Als het behoorlijk bewolkt is, is er niets op de afbeelding te zien.

Ik ben begonnen met het schrijven van beeldverwerkingssoftware om deze problemen te verhelpen, maar die code is nog niet klaar. Tot die tijd moet ik gewoon de grillen van het weer omzeilen.

Maak een back-up van uw gegevens

Met de camera die ik gebruik en het aantal foto's dat ik maak, genereer ik elke dag ongeveer 70 MB aan foto's. Zelfs als de micro-SD-kaart op de Pi groot genoeg zou zijn om een jaar aan gegevens te bevatten, zou ik het niet vertrouwen. Om de paar dagen gebruik ik scp om de recente gegevens naar mijn bureaublad te kopiëren. Daar bekijk ik de beelden om er zeker van te zijn dat ze in orde zijn en dat er niets raars is gebeurd. Dan kopieer ik al die bestanden naar mijn NAS, zodat ik twee onafhankelijke kopieën van de gegevens heb. Daarna ga ik terug naar de Pi en verwijder ik de originele bestanden.

Stap 10: Analemma (of… een astronomisch groot cijfer acht)

Naast het bepalen van de axiale helling en breedtegraad, kan het elke dag op hetzelfde tijdstip fotograferen ons ook een heel gaaf beeld geven van het pad van de zon in de loop van een jaar.

Als je ooit de film Cast Away met Tom Hanks hebt gezien, herinner je je misschien de scène in de grot waar hij het pad van de zon in de loop van de tijd uitstippelde en het een cijfer acht maakte. Toen ik die scène voor het eerst zag, wilde ik meer over dat fenomeen te weten komen en amper zeventien jaar later ben ik er eindelijk aan toe om precies dat te doen!

Deze vorm wordt een analemma genoemd en is het resultaat van de helling van de aardas en het feit dat de baan van de aarde elliptisch is en geen perfecte cirkel. Er een op film vastleggen is net zo eenvoudig als het opzetten van een camera en elke dag op hetzelfde tijdstip een foto maken. Hoewel er veel zeer goede foto's van analemma op internet zijn, is een van de dingen die we in dit project zullen doen, onze eigen foto's maken. Zie dit artikel voor veel meer over analemma en hoe iemand het middelpunt kan zijn van een behoorlijk nuttige almanak.

Vóór de komst van digitale fotografie vereiste het vastleggen van een foto van een analemma echte fotografische vaardigheden, aangezien je zorgvuldig meerdere belichtingen op hetzelfde stuk film moest maken. Het is duidelijk dat de Raspberry Pi-camera geen film heeft, dus in plaats van vaardigheid en geduld gaan we eenvoudigweg meerdere digitale afbeeldingen combineren om hetzelfde effect te krijgen.

Stap 11: Wat nu?

Nu de kleine camera-robot op zijn plaats is en elke dag trouw foto's maakt, wat nu? Het blijkt dat er nog heel wat te doen is. Merk op dat de meeste hiervan betrekking hebben op het schrijven van python en het gebruik van OpenCV. Ik hou van python en wilde een excuus om OpenCV te leren, dus dat is een win-win voor mij!

1. Detecteert automatisch bewolkte dagenAls het te bewolkt is, zorgen de zonnefilm en korte sluitertijd voor een ondoorzichtig beeld. Ik wil die toestand automatisch detecteren en dan ofwel de sluitertijd verhogen of het zonnefilter uit de weg schuiven.
2. Gebruik beeldverwerking om de zon te vinden, zelfs in bewolkte foto's. Ik vermoed dat het mogelijk is om het middelpunt van de zon te vinden, zelfs als wolken in de weg staan.
3. Leg zonneschijven op een duidelijke achtergrondafbeelding om een spoor van het pad van de zon gedurende de dag te vormen
4. Creëer een analemmaDezelfde basistechniek als de laatste stap, maar met behulp van foto's die elke dag op hetzelfde tijdstip zijn gemaakt
5. Meet de hoekresolutie van de camera (graden/pixel)Ik heb dit nodig voor mijn latere berekeningen

Er is meer dan dit, maar dat zal me wel even bezig houden.

Bedankt dat je tot het einde bij me bent gebleven. Ik hoop dat je genoten hebt van deze projectbeschrijving en dat het je motiveert om je eigen volgende project aan te pakken!