Osservatorio Solare: 11 Passi (con Immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Qual è l'inclinazione dell'asse terrestre? A che latitudine sono?

Se vuoi una risposta rapida, puoi rivolgerti a Google o a un'app GPS sul tuo smartphone. Ma se hai un Raspberry Pi, un modulo fotocamera e circa un anno per fare alcune osservazioni, puoi determinare tu stesso le risposte a queste domande. Installando una fotocamera con un filtro solare in una posizione fissa e utilizzando il Pi per scattare foto alla stessa ora ogni giorno, puoi raccogliere molti dati sul percorso del sole attraverso il cielo e, per estensione, sul percorso della Terra intorno il Sole. In questo Instructable, ti mostro come ho creato il mio osservatorio solare per meno di $ 100.

Prima di andare molto oltre, tuttavia, dovrei sottolineare che sono solo due mesi nel mio esperimento di un anno, quindi non sarò in grado di includere i risultati finali. Tuttavia, posso condividere la mia esperienza nella costruzione di questo progetto e spero di darti un'idea di come costruirne uno tuo.

Sebbene non sia affatto difficile, questo progetto offre l'opportunità di esercitare diverse abilità. Come minimo, devi essere in grado di collegare un Raspberry Pi a una fotocamera e un servo e dovrai essere in grado di eseguire un certo livello di sviluppo del software per estrarre i dati dalle foto che scatti. Ho anche utilizzato strumenti di base per la lavorazione del legno e una stampante 3D, ma questi non sono fondamentali per questo progetto.

Descriverò anche lo sforzo di raccolta dati a lungo termine che ho intrapreso e come utilizzerò OpenCV per trasformare centinaia di immagini in dati numerici che possono essere analizzati utilizzando un foglio di calcolo o il linguaggio di programmazione preferito. Come bonus, attingeremo anche al nostro lato artistico e guarderemo alcune immagini visive interessanti.

Passaggio 1: Tldr; Istruzioni brevi

Questo Instructable è un po 'lungo, quindi per iniziare, ecco le ossa nude, nessun dettaglio aggiuntivo fornito istruzioni.

1. Ottieni un Raspberry Pi, fotocamera, servo, relè, pellicola solare, verruche da parete e hardware assortito
2. Collega tutto quell'hardware
3. Configura il Pi e scrivi alcuni semplici script per scattare foto e salvare i risultati
4. Costruisci una scatola del progetto e montaci tutto l'hardware
5. Trova un posto dove mettere il progetto dove possa vedere il sole e non verrà urtato o spintonato
6. Mettilo lì
7. Inizia a scattare foto
8. Ogni pochi giorni, sposta le immagini su un altro computer in modo da non riempire la tua scheda SD
9. Inizia a imparare OpenCV in modo da poter estrarre dati dalle tue immagini
10. Aspetta un anno

Questo è il progetto in poche parole. Ora continua a leggere per ulteriori dettagli su questi passaggi.

Passaggio 2: sfondo

Gli umani osservano il sole, la luna e le stelle da quando siamo in giro e questo progetto non realizza nulla che i nostri antenati non abbiano fatto migliaia di anni fa. Ma invece di mettere un bastone nel terreno e usare rocce per segnare le posizioni delle ombre nei momenti chiave, useremo un Raspberry Pi e una fotocamera e faremo tutto dal comfort delle nostre case. Il tuo progetto non sarà più un sito turistico tra mille anni, ma il lato positivo è che non dovrai nemmeno lottare per posizionare enormi massi.

L'idea generale in questo progetto è puntare una fotocamera in una posizione fissa nel cielo e scattare foto alla stessa ora ogni giorno. Se hai un filtro adatto sulla tua fotocamera e la giusta velocità dell'otturatore, avrai immagini nitide e ben definite del disco del sole. Usando queste immagini, puoi mettere un bastone virtuale nel terreno e imparare alcune cose interessanti.

Per mantenere gestibili le dimensioni di questo Instructable, tutto ciò che tratterò è come determinare l'inclinazione dell'asse terrestre e la latitudine in cui vengono scattate le immagini. Se la sezione dei commenti indica abbastanza interesse, posso parlare di alcune delle altre cose che puoi imparare dal tuo osservatorio solare in un articolo successivo.

Inclinazione assiale L'angolo tra il sole nel giorno in cui è più a nord e il giorno in cui è più a sud è uguale all'inclinazione dell'asse terrestre. Potresti aver imparato a scuola che questo è 23,5 gradi, ma ora lo saprai dalle tue osservazioni e non semplicemente da un libro di testo.

LatitudineOra che conosciamo l'inclinazione dell'asse terrestre, sottraila dall'elevazione del percorso del sole nel giorno più lungo dell'anno per conoscere la latitudine della tua posizione attuale.

Perché preoccuparsi? Ovviamente potresti trovare questi valori in modo molto più preciso e veloce, ma se sei il tipo di persona che legge Instructables, sai che è molto gratificante farlo da solo. Imparare fatti sul mondo intorno a te usando nient'altro che alcune semplici osservazioni dirette e una matematica diretta è il punto centrale di questo progetto.

Passaggio 3: componenti richiesti

Anche se potresti realizzare l'intero progetto con una fotocamera sufficientemente costosa e fantasiosa, io non ne ho una. Uno degli obiettivi di questo progetto era quello di utilizzare ciò che avevo già a disposizione dai progetti precedenti. Ciò includeva un Raspberry Pi, un modulo fotocamera e la maggior parte degli altri articoli elencati di seguito, anche se dovevo andare su Amazon per alcuni di essi. Il costo totale se devi comprare tutto sarà di circa 100 USD.

• Raspberry Pi (qualsiasi modello va bene)
• Modulo fotocamera Raspberry Pi
• Cavo a nastro più lungo per fotocamera (opzionale)
• Chiavetta wireless
• Servo standard
• Relè 5V
• Hub USB alimentato
• Ciabatta e cavo di prolunga
• Foglio di pellicola solare
• Rottami di legname, plastica, HDPE, ecc
• Pannello di progetto ondulato

Ho anche utilizzato la mia stampante 3D Monoprice ma era una comodità e non una necessità. Un po' di creatività da parte tua ti permetterà di trovare un modo adatto per farcela senza.

Passaggio 4: configurazione del Raspberry Pi

Impostare

Non entrerò in molti dettagli qui e presumerò che tu sia a tuo agio con l'installazione di un sistema operativo sul Pi e la sua configurazione. In caso contrario, ci sono molte risorse sul Web per aiutarti a iniziare.

Ecco le cose più importanti a cui prestare attenzione durante la configurazione.

• Assicurati che la tua connessione WiFi si avvii automaticamente al riavvio del Pi
• Abilita sshIl progetto verrà probabilmente installato in un luogo fuori mano in modo da non averlo collegato a un monitor e una tastiera. Userai parecchio ssh e scp per configurarlo e copiare le immagini su un altro computer.
• Assicurati di abilitare l'accesso automatico tramite ssh in modo da non dover inserire la password manualmente ogni volta
• Abilita il modulo della fotocameraMolte persone collegano la fotocamera ma dimenticano di abilitarla
• Disabilita la modalità GUIEseguirai senza testa, quindi non è necessario spendere risorse di sistema per eseguire un server X
• Installa il pacchetto gpio usando apt-get o simili
• Imposta il fuso orario su UTC Vuoi che le tue foto siano alla stessa ora ogni giorno e non vuoi essere disturbato dall'ora legale. Il più semplice è usare l'UTC.

Ora sarebbe un buon momento per sperimentare con il modulo della fotocamera. Usa il programma 'raspistill' per scattare qualche foto. Dovresti anche sperimentare con le opzioni della riga di comando per vedere come viene controllata la velocità dell'otturatore.

Interfacce hardware

Il modulo della fotocamera ha una propria interfaccia con cavo a nastro dedicato, ma utilizziamo i pin GPIO per controllare il relè e il servo. Nota che ci sono due diversi schemi di numerazione di uso comune ed è facile confondersi. Preferisco usare l'opzione '-g' al comando gpio in modo da poter usare i numeri pin ufficiali.

La tua selezione di pin può variare se hai un modello Pi diverso da quello che sto usando. Consultare i diagrammi di piedinatura per il modello specifico per riferimento.

• Pin 23 - Uscita digitale su relèQuesto segnale attiva il relè, che fornisce alimentazione al servo
• Pin 18 - PWM al servoLa posizione del servo è controllata da un segnale di modulazione dell'ampiezza dell'impulso
• Terra: qualsiasi pin di terra sarà sufficiente

Vedere gli script di shell allegati per il controllo di questi pin.

Nota: la finestra di caricamento su questo sito si è opposta ai miei tentativi di caricare file che terminavano con '.sh'. Quindi li ho rinominati con un'estensione ".notsh" e il caricamento ha funzionato bene. Probabilmente vorrai rinominarli in '.sh' prima dell'uso.

crontab

Dato che voglio scattare foto ogni cinque minuti per un periodo di circa 2,5 ore, ho usato crontab, che è un'utilità di sistema per eseguire comandi pianificati anche quando non sei connesso. La sintassi per questo è un po' goffa quindi usa il motore di ricerca di tua scelta per ottenere maggiori dettagli. Le righe pertinenti dal mio crontab sono allegate.

Ciò che fanno queste voci è a) scattare una foto ogni cinque minuti con il filtro solare in posizione eb) attendere qualche ora e scattare un paio di foto senza filtro in posizione.

Passaggio 5: scatola del progetto

Ho intenzione di lesinare davvero sulle istruzioni in questa sezione e lasciarti alla tua immaginazione. Il motivo è che ogni installazione sarà diversa e dipenderà da dove installerai il progetto e dai tipi di materiale con cui stai lavorando.

L'aspetto più importante della scatola del progetto è che sia posizionato in modo che non si sposti facilmente. La fotocamera non dovrebbe muoversi una volta che inizi a scattare foto. Altrimenti dovrai scrivere un software per eseguire la registrazione delle immagini e allineare tutte le immagini digitalmente. Meglio avere una piattaforma fissa in modo da non dover affrontare quel problema.

Per la mia scatola del progetto, ho usato MDF da 1/2", un piccolo pezzo di compensato da 1/4", una cornice stampata in 3D per tenere la fotocamera all'angolazione desiderata e un pannello di progetto ondulato bianco. L'ultimo pezzo è posizionato davanti al telaio stampato in 3D per proteggerlo dalla luce solare diretta ed evitare potenziali problemi di deformazione.

Ho lasciato il retro e la parte superiore della scatola aperti nel caso avessi bisogno di accedere all'elettronica, ma non è ancora successo. Funziona da sette settimane senza bisogno di correzioni o modifiche da parte mia.

Filtro mobile

L'unica parte della scatola del progetto che merita qualche spiegazione è il servo con il braccio mobile.

Il modulo fotocamera standard Raspberry Pi non funziona così bene se lo punti semplicemente verso il sole e scatti una foto. Fidati di me su questo… ci ho provato.

Per ottenere un'immagine utilizzabile del sole è necessario posizionare un filtro solare davanti all'obiettivo. Probabilmente ci sono filtri prefabbricati costosi che puoi acquistare per questo, ma ho creato il mio usando un piccolo pezzo di pellicola solare e un pezzo di HDPE da 1/4 con un foro circolare tagliato. La pellicola solare può essere acquistata da Amazon per circa $ 12. In retrospettiva, avrei potuto ordinare un pezzo molto più piccolo e risparmiare un po' di soldi. Se hai dei vecchi occhiali da eclissi solare inutilizzati, potresti essere in grado di tagliare una delle lenti e creare un filtro adatto.

Far muovere il filtro

Sebbene la maggior parte delle foto che scatti saranno con il filtro in posizione, vorrai anche scattare foto in altri momenti della giornata quando il sole è fuori dall'inquadratura. Questi sono quelli che utilizzerai come immagini di sfondo per sovrapporre le tue immagini del sole filtrate. Potresti costruirlo in modo da spostare manualmente il filtro e prendere queste immagini di sfondo, ma avevo un servo in più in giro e volevo automatizzare quel passaggio.

A cosa serve il relè?

Tra il modo in cui il Pi genera segnali PWM e il servo di fascia bassa che ho usato, c'erano volte in cui accendevo tutto e il servo si sedeva lì e "chiacchierava". Cioè, si muoveva avanti e indietro a piccoli passi mentre cercava di trovare la posizione esatta che il Pi stava comandando. Ciò ha causato il surriscaldamento del servo e ha prodotto un rumore fastidioso. Quindi ho deciso di utilizzare un relè per fornire alimentazione al servo solo durante le due volte al giorno in cui voglio scattare foto non filtrate. Ciò ha richiesto l'uso di un altro pin di uscita digitale sul Pi per fornire il segnale di controllo al relè.

Passaggio 6: fornire energia

Ci sono quattro elementi che necessitano di alimentazione in questo progetto:

1. Lampone Pi
2. Dongle Wi-Fi (se stai utilizzando un modello Pi successivo con Wi-Fi integrato, questo non sarà necessario)
3. Relè 5V
4. Servo

Importante: non provare ad alimentare il servo direttamente dal pin 5V sul Raspberry Pi. Il servo assorbe più corrente di quella che il Pi può fornire e farai danni irreparabili alla scheda. Utilizzare invece una fonte di alimentazione separata per alimentare il servo e il relè.

Quello che ho fatto è stato usare una verruca da parete da 5 V per alimentare il Pi e un'altra per alimentare un vecchio hub USB. L'hub viene utilizzato per collegare il dongle Wi-fi e per fornire alimentazione a relè e servo. Il servo e il relè non hanno prese USB, quindi ho preso un vecchio cavo USB e ho tagliato il connettore dall'estremità del dispositivo. Quindi ho spellato i fili 5V e di massa e li ho collegati al relè e al servo. Ciò ha fornito una fonte di alimentazione a quei dispositivi senza rischiare di danneggiare il Pi.

Nota: il Pi e i componenti esterni non sono completamente indipendenti. Poiché hai segnali di controllo provenienti dal Pi al relè e al servo, devi anche avere una linea di terra che torna da quegli elementi al Pi. C'è anche una connessione USB tra l'hub e il Pi in modo che il wi-fi possa funzionare. Un ingegnere elettrico probabilmente tremerebbe davanti al potenziale di loop di massa e altri problemi elettrici, ma funziona tutto, quindi non mi preoccuperò della mancanza di eccellenza ingegneristica.:)

Passaggio 7: mettere tutto insieme

Dopo aver collegato tutte le parti, il passaggio successivo consiste nel montare il servo, il braccio dell'otturatore e la fotocamera sulla piastra di montaggio.

In una foto sopra, puoi vedere il braccio dell'otturatore in posizione (meno la pellicola solare, che non avevo ancora registrato). Il braccio dell'otturatore è realizzato in HDPE da 1/4 ed è collegato utilizzando uno degli hub standard forniti con il servo.

Nell'altra immagine, puoi vedere il retro della piastra di montaggio e come sono fissati il servo e la fotocamera. Dopo aver scattato questa foto, ho ridisegnato il pezzo bianco che vedete per avvicinare l'obiettivo della fotocamera al braccio dell'otturatore e poi l'ho ristampato in verde. Ecco perché in altre foto la parte bianca non è presente.

Parola di cautela

Il modulo della fotocamera ha un minuscolo cavo a nastro sulla scheda che collega la fotocamera effettiva al resto dell'elettronica. Questo piccolo connettore ha una fastidiosa tendenza a uscire frequentemente dalla sua presa. Quando esce, raspistill segnala che la fotocamera non è collegata. Ho passato molto tempo a riposizionare inutilmente entrambe le estremità del cavo a nastro più grande prima di rendermi conto dove stava il vero problema.

Dopo aver capito che il problema era il piccolo cavo sulla scheda, ho provato a tenerlo fermo con del nastro Kapton ma non ha funzionato e alla fine ho fatto ricorso a una piccola quantità di colla a caldo. Finora, la colla lo ha tenuto in posizione.

Passaggio 8: selezione del sito

I grandi telescopi del mondo si trovano sulle cime delle montagne in Perù, Hawaii o in qualche altro luogo relativamente remoto. Per questo progetto, la mia lista completa di siti candidati includeva:

• Un davanzale esposto a est in casa mia
• Un davanzale rivolto a ovest in casa mia
• Un davanzale esposto a sud in casa mia

Particolarmente assenti da questa lista sono il Perù e le Hawaii. Quindi, date queste scelte, cosa dovevo fare?

La finestra esposta a sud ha un'ampia distesa senza edifici in vista ma a causa di un problema con la guarnizione di tenuta, non è otticamente chiara. La finestra rivolta a ovest offre una splendida vista di Pikes Peak e sarebbe stata una vista fantastica, ma si trova nella camera familiare e a mia moglie potrebbe non piacere che il mio progetto di scienze sia così ben visibile per un anno intero. Ciò mi ha lasciato con la vista rivolta a est che si affaccia su una grande torre di antenne e sul retro del Safeway locale. Non molto carino ma è stata la scelta migliore.

In realtà, la cosa più importante è trovare un luogo in cui il progetto non venga spintonato, spostato o disturbato in altro modo. Finché riesci a inquadrare il sole per un'ora due al giorno, qualsiasi direzione funzionerà.

Passaggio 9: scattare foto

Cieli nuvolosi

Mi capita di vivere in un posto che riceve molto sole ogni anno, il che è positivo poiché le nuvole creano davvero il caos con le immagini. Se è leggermente nuvoloso, il sole esce come un disco verde pallido piuttosto che il disco arancione ben definito che ottengo in una giornata senza nuvole. Se è abbastanza nuvoloso, sull'immagine non viene visualizzato nulla.

Ho iniziato a scrivere alcuni software di elaborazione delle immagini per alleviare questi problemi, ma quel codice non è ancora pronto. Fino ad allora, devo solo aggirare i capricci del tempo.

Fai il backup dei tuoi dati

Con la fotocamera che sto usando e il numero di foto che scatto, genero circa 70 MB di immagini ogni giorno. Anche se la scheda micro-SD sul Pi fosse abbastanza grande da contenere un anno di dati, non mi fiderei. Ogni pochi giorni, uso scp per copiare i dati recenti sul mio desktop. Lì, osservo le immagini per assicurarmi che siano a posto e che non sia successo nulla di strano. Quindi copio tutti quei file sul mio NAS in modo da avere due copie indipendenti dei dati. Dopodiché, torno al Pi ed elimino i file originali.

Passaggio 10: Analemma (o… una figura otto astronomicamente grande)

Oltre a determinare l'inclinazione assiale e la latitudine, scattare foto alla stessa ora ogni giorno può anche fornirci una visione molto interessante del percorso del Sole nel corso di un anno.

Se hai mai visto il film Cast Away con Tom Hanks, potresti ricordare la scena nella grotta in cui ha segnato il percorso del sole nel tempo e ha fatto una figura otto. Quando ho visto quella scena per la prima volta, volevo saperne di più su quel fenomeno e solo diciassette anni dopo, finalmente sono riuscito a farlo!

Questa forma è chiamata analemma ed è il risultato dell'inclinazione dell'asse terrestre e del fatto che l'orbita terrestre è ellittica e non un cerchio perfetto. Catturarne uno su pellicola è semplice come impostare una fotocamera e scattare una foto alla stessa ora ogni giorno. Sebbene ci siano molte ottime immagini di analemma sul web, una delle cose che faremo in questo progetto è crearne una nostra. Per molto di più sull'analemma e su come si può essere il fulcro di un almanacco piuttosto utile, vedere questo articolo.

Prima dell'avvento della fotografia digitale, catturare un'immagine di un analemma richiedeva abilità fotografiche reali poiché avresti dovuto eseguire con attenzione più esposizioni sullo stesso pezzo di pellicola. Ovviamente la fotocamera Raspberry Pi non ha la pellicola, quindi invece di abilità e pazienza, combineremo semplicemente più immagini digitali per ottenere lo stesso effetto.

Passaggio 11: cosa c'è dopo?

Ora che il piccolo robot-fotocamera è a posto e scatta foto fedelmente ogni giorno, e poi? A quanto pare, ci sono ancora alcune cose da fare. Nota che la maggior parte di questi riguarderà la scrittura di Python e l'utilizzo di OpenCV. Mi piace Python e volevo una scusa per imparare OpenCV, quindi è una vittoria per me!

1. Rileva automaticamente i giorni nuvolosiSe è troppo nuvoloso, la pellicola solare e la breve velocità dell'otturatore creano un'immagine opaca. Voglio rilevare automaticamente tale condizione e quindi aumentare la velocità dell'otturatore o spostare il filtro solare.
2. Usa l'elaborazione delle immagini per trovare il sole anche nelle foto nuvolose. Sospetto che sia possibile trovare il punto centrale del sole anche se le nuvole sono d'intralcio.
3. Sovrapponi i dischi solari su un'immagine di sfondo chiara per formare una traccia del percorso del sole durante il giorno
4. Crea un analemma Stessa tecnica di base dell'ultimo passaggio ma utilizzando foto scattate alla stessa ora ogni giorno
5. Misura la risoluzione angolare della fotocamera (gradi/pixel) Ne avrò bisogno per i miei calcoli successivi

C'è dell'altro, ma questo mi terrà impegnato per un po'.

Grazie per essere rimasto con me fino alla fine. Spero che questa descrizione del progetto ti sia piaciuta e che ti motivi ad affrontare il tuo prossimo progetto!