Күн обсерваториясы: 11 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:27

Жер осінің қисаюы қандай? Мен қандай ендікпін?

Егер сіз тез арада жауап алғыңыз келсе, сіз Google -ге немесе смартфондағы GPS қосымшасына жүгінесіз. Бірақ егер сізде Raspberry Pi, камералық модуль және бір жылға жуық уақыт болса, сіз бұл сұрақтарға жауаптарды өзіңіз анықтай аласыз. Белгіленген жерге күн сүзгісі бар камераны орнатып, күн сайын бір уақытта суретке түсіру үшін Pi көмегімен күннің аспан арқылы өтетін жолы туралы кеңінен мәлімет жинауға болады. күн. Бұл нұсқаулықта мен сізге 100 долларға төмен күн сәулесі обсерваториясын қалай жасағанымды көрсетемін.

Әрі қарай жүрмес бұрын, мен бір жылдық экспериментке небәрі екі ай қалғанымды көрсетуім керек, сондықтан мен соңғы нәтижелерді қоса алмаймын. Дегенмен, мен бұл жобаны құру бойынша өз тәжірибеммен бөлісе аламын және сізге өз жобаңызды қалай құру керектігі туралы түсінік беремін деп үміттенемін.

Қиын болмаса да, бұл жоба әр түрлі дағдыларды қолдануға мүмкіндік береді. Кем дегенде, сіз Raspberry Pi -ді камераға және сервоға байланыстыра білуіңіз керек және сіз түсірілген суреттерден деректерді алу үшін бағдарламалық қамтамасыз етуді әзірлеудің кейбір деңгейін жасай білуіңіз керек. Мен ағаш өңдеудің негізгі құралдарын және 3D принтерді қолдандым, бірақ бұл жоба үшін маңызды емес.

Мен сондай-ақ ұзақ мерзімді деректерді жинау әрекетін сипаттаймын және OpenCV көмегімен жүздеген суреттерді сандық деректерге айналдыру үшін оны электрондық кесте немесе сіздің таңдаған бағдарламалау тіліңіз арқылы талдауға болады. Бонус ретінде біз өзіміздің өнерлі жағымызға еніп, қызықты визуалды суреттерді қараймыз.

1 -қадам: Tldr; Қысқа нұсқаулар

Бұл нұсқаулық сәл ұзақ, сондықтан бастау үшін, мұнда жалаңаш сүйектер, қосымша нұсқаулар жоқ.

1. Raspberry Pi, камера, серво, реле, күн пленкасы, қабырға сүйелдері мен түрлі жабдықты алыңыз
2. Барлық жабдықты қосыңыз
3. Pi конфигурациялаңыз және суретке түсіру және нәтижелерді сақтау үшін бірнеше қарапайым сценарийлерді жазыңыз
4. Жоба қорабын жасаңыз және оған барлық жабдықты орнатыңыз
5. Жобаны күнді көруге болатын жерді табыңыз, ол соқтығыспайды немесе қозғалмайды
6. Оны сонда қойыңыз
7. Суретке түсіруді бастаңыз
8. Бірнеше күнде SD картасын толтырмау үшін суреттерді басқа компьютерге жылжытыңыз
9. OpenCV үйренуді бастаңыз, осылайша сіз суреттерден деректерді шығара аласыз
10. Бір жыл күтіңіз

Бұл қысқаша айтқанда жоба. Енді осы қадамдар туралы қосымша мәлімет алу үшін оқуды жалғастырыңыз.

2 -қадам: Фон

Адамдар күнді, айды және жұлдыздарды біз айналамызда ұзақ уақыт бойы бақылап отырды және бұл жоба біздің ата -бабаларымыз мыңдаған жылдар бұрын жасамаған ештеңеге қол жеткізе алмады. Бірақ таяқшаны жерге қойып, көлеңкелердің орналасуын белгілеу үшін тастарды пайдаланудың орнына, біз Raspberry Pi мен камераны қолданамыз және мұның бәрін үйдің жайлылығынан жасаймыз. Сіздің жобаңыз мың жылдан кейін туристік сайт болмайды, бірақ жақсы жағы - сізге үлкен тастарды орнына қоюмен күресудің қажеті жоқ.

Бұл жобаның жалпы идеясы - камераны аспандағы тұрақты жерге бағыттау және күн сайын бір уақытта суретке түсіру. Егер сізде камерада сәйкес сүзгі болса және түсіру жылдамдығы дұрыс болса, сізде күн дискісінің айқын, айқын суреттері болады. Бұл суреттерді қолдана отырып, сіз виртуалды таяқшаны жерге қойып, көптеген қызықты нәрселерді біле аласыз.

Бұл нұсқаулықтың көлемін сақтау үшін мен тек Жер осінің қисаюын және суреттер түсірілген кеңістікті қалай анықтау керектігін айтамын. Егер түсініктеме бөлімі жеткілікті қызығушылықты көрсетсе, мен келесі мақалада сіздің күн обсерваториясынан білуге болатын басқа нәрселер туралы айта аламын.

Осьтік көлбеу Күннің солтүстікке және оңтүстікке дейінгі күн арасындағы бұрышы Жер осінің қисаюына тең. Сіз мектепте бұл 23,5 градус екенін білген боларсыз, бірақ енді сіз мұны оқулықтан емес, өз бақылауларыңыздан білетін боласыз.

Енді біз Жер осінің көлбеуін білетіндіктен, жылдың ең ұзын күніндегі күн жолының биіктігінен қазіргі орныңыздың ендік кеңістігін білу үшін алып тастаңыз.

Әлбетте, сіз бұл құндылықтарды дәлірек және тез таба аласыз, бірақ егер сіз нұсқауларды оқитын адам болсаңыз, онда сіз мұны өзіңіз қанағаттандыратындығыңызды білесіз. Қарапайым, тікелей бақылаулар мен тікелей математиканы қолдана отырып, айналаңыздағы әлем туралы фактілерді білу-бұл жобаның мәні.

3 -қадам: Қажетті компоненттер

Сіз бұл жобаны қымбат және сәнді камерамен жасай алсаңыз да, менде ондай жоқ. Бұл жобаның мақсаты менде бұрыннан бар жобаларды пайдалану болды. Бұған Raspberry Pi, камера модулі және төменде көрсетілген басқа элементтер кіреді, бірақ мен олардың бірнешеуіне Amazon -ға баруға тура келді. Егер сіз бәрін сатып алуыңыз керек болса, жалпы құны шамамен 100 доллар болады.

• Raspberry Pi (кез келген модель жасайды)
• Raspberry Pi камералық модулі
• Камераға арналған ұзын таспалы кабель (міндетті емес)
• Сымсыз кілт
• Стандартты серво
• 5В релесі
• Қуаттандырылған USB хаб
• Қуат жолағы мен ұзартқыш сым
• Күн пленкасының парағы
• Қалдық ағаш, пластмасса, HDPE және т
• Гофрленген жоба тақтасы

Мен сондай -ақ Monoprice 3D принтерін қолдандым, бірақ бұл ыңғайлылық болды және қажеттілік емес. Кішкене шығармашылық сізге онсыз өтудің қолайлы әдісін табуға мүмкіндік береді.

4 -қадам: Raspberry Pi конфигурациясы

Орнату

Мен мұнда егжей -тегжейлі айтқым келмейді және сізге Pi -ге ОЖ орнатуға және оны конфигурациялауға ыңғайлы деп ойлаймын. Олай болмаған жағдайда, Интернетте жұмысты бастауға көмектесетін көптеген ресурстар бар.

Орнату кезінде назар аудару керек ең маңызды нәрселер.

• Wi -Fi қосылымы Pi қайта жүктелген кезде автоматты түрде қосылатынына көз жеткізіңіз
• Ssh қосу Жоба мүмкін емес жерде орнатылады, сондықтан оны монитор мен пернетақтаға қосуға болмайды. Сіз оны конфигурациялау және суреттерді басқа компьютерге көшіру үшін ssh & scp -ді аз қолданасыз.
• Әрқашан құпия сөзді қолмен енгізудің қажеті жоқ, ssh арқылы автоматты түрде кіруді қосыңыз
• Көптеген адамдар камераны қосады, бірақ оны қосуды ұмытады
• GUI режимін өшіру Сіз бассыз жұмыс жасайсыз, сондықтан жүйелік ресурстарды X серверімен жұмыс істеудің қажеті жоқ
• Gpio пакетін apt-get немесе соған ұқсас орнатыңыз
• Уақыт белдеуін UTC -ге орнатыңыз Сіз суреттеріңізді күн сайын бір уақытта алғыңыз келеді және жазғы уақыт бойынша жойылғыңыз келмейді. UTC пайдалану оңай.

Енді камера модулімен тәжірибе жасаудың жақсы уақыты болар еді. Бірнеше суретке түсіру үшін 'raspistill' бағдарламасын қолданыңыз. Сондай-ақ, ысырма жылдамдығы қалай басқарылатынын көру үшін пәрмен жолы опцияларымен тәжірибе жасау керек.

Аппараттық интерфейстер

Камера модулінде арнайы таспалы кабель интерфейсі бар, бірақ біз реле мен серводы басқару үшін GPIO түйреуіштерін қолданамыз. Назар аударыңыз, жалпы қолданыста екі түрлі нөмірлеу схемасы бар және оларды шатастыру оңай. Мен gpio пәрменіне '-g' опциясын қолданғанды жөн көремін, сондықтан мен ресми пин нөмірлерін қолдана аламын.

Егер сізде мен қолданатыннан басқа Pi үлгісі болса, түйреуіштерді таңдауыңыз өзгеруі мүмкін. Анықтама алу үшін нақты модельге арналған диаграммаларды қараңыз.

• 23 -түйреуіш - Эстафетаға цифрлық шығу Бұл сигнал реле қосылады, ол сервоға қуат береді
• 18 -түйреуіш - PWM сервоға Серво позициясы импульстік ен модуляциясының сигналымен басқарылады
• Жер - кез келген жерге түйреуіш жеткілікті

Бұл түйреуіштерді басқару үшін бекітілген қабық сценарийлерін қараңыз.

Ескерту: Бұл сайттағы жүктеу диалогы '.sh' деп аяқталған файлдарды жүктеу әрекеттеріме қарсылық білдірді. Мен оларды '.notsh' кеңейтімімен атадым және жүктеу жақсы жұмыс істеді. Қолданар алдында олардың атын '.sh' деп өзгерту керек шығар.

crontab

Мен әр бес минут сайын шамамен 2,5 сағат бойы суретке түскім келетіндіктен, мен жүйеге кірмеген кезде де жоспарланған командаларды орындауға арналған жүйелік утилитасы crontab -ды қолдандым. Бұл үшін синтаксис сәл ыңғайсыз, сондықтан толығырақ білу үшін сіз таңдаған іздеу жүйесі. Менің crontab -дан тиісті жолдар бекітілген.

Бұл жазбалар: а) күн сүзгісі орнында әр бес минут сайын суретке түсіру және ә) бірнеше сағат күтіп, сүзгісі жоқ бірнеше суретке түсіру.

5 -қадам: Жобалар қорабы

Мен осы бөлімдегі нұсқауларды үнемдеймін және сізді өз қиялыңызға қалдырамын. Себебі, әр қондырғы әр түрлі болады және сіз жобаны қай жерге орнататындығыңызға және сіз жұмыс жасайтын материалдың түріне байланысты болады.

Жобаның ең маңызды аспектісі - ол оңай қозғалмайтындай етіп орналастырылуы. Суретке түсіруді бастағаннан кейін камера қозғалмауы керек. Әйтпесе, суретті тіркеу үшін барлық бағдарламалық қамтамасыз етуді жазу керек және барлық суреттерді цифрлық түрде қатарға қою қажет болады. Тұрақты платформаға ие болу жақсы, сондықтан сіз бұл мәселемен айналыспайсыз.

Менің жобалық қорабым үшін мен 1/2 дюймді MDF, 1/4 дюймдік фанердің кішкене бөлігін, камераны қажетті бұрышта ұстау үшін 3D басып шығарылған жақтауды және ақ гофрленген проектор тақтасын қолдандым. Бұл соңғы бөлік оны тікелей күн сәулесінен қорғау және қисаю кезінде ықтимал проблемаларды болдырмау үшін 3D басып шығарылған жақтаудың алдына қойылады.

Мен электроникаға бару керек болса, қораптың артқы және жоғарғы жағын ашық қалдырдым, бірақ бұл әлі болған жоқ. Ол жеті апта бойы жұмыс жасады, мен ешқандай түзетулер мен түзетулерді қажет етпедім.

Жылжымалы фильтр

Жоба қорабының бір бөлігі ғана түсіндіруге тұрарлық - бұл жылжымалы қолы бар серво.

Стандартты Raspberry Pi камералық модулі күн сәулесін көрсетіп, суретке түсірсеңіз жақсы жұмыс істемейді. Маған сеніңіз … мен тырыстым.

Күннің суретін алу үшін объективтің алдына күн сүзгісін қою керек. Сіз бұл үшін сатып алатын қымбат дайын фильтрлер бар шығар, бірақ мен оларды күн сәулесінің пленкасының кішкене бөлігін және дөңгелек саңылауы бар 1/4 дюймдік HDPE бөлігін пайдаланып жасадым. Күн қабығын сатып алуға болады. Шамамен 12 долларға Amazon. Артқа қарап, мен әлдеқайда кішкене бөлікке тапсырыс беріп, аздап ақша үнемдей алар едім. Егер сізде күн тұтылмаған ескі көзілдірік болса, сіз линзалардың бірін кесіп, сәйкес сүзгіні жасай аласыз.

Сүзгіні жылжыту

Сіз түсіретін суреттердің көпшілігі сүзгіде болса да, сіз күнді кадрдан тыс уақытта басқа уақытта түсіргіңіз келеді. Бұл сіз фильтрленген күн суреттерін қабаттастыру үшін фондық суреттер ретінде қолданасыз. Сіз оны сүзгіні қолмен жылжыту және фондық суреттерді алу үшін жасай аласыз, бірақ менде қосымша серво болды және бұл қадамды автоматтандырғым келді.

Эстафета не үшін қажет?

Pi PWM сигналдарын шығаратын жол мен мен қолданатын төменгі деңгейлі серво арасында мен бәрін қосатын кездер болды, ал серво сол жерде отырып «сөйлеседі». Яғни, Пи бұйрық берген нақты позицияны табуға тырысқанда, ол өте кішкентай қадамдармен алға -артқа жылжиды. Бұл серво қатты қызып, тітіркендіргіш шу шығарды. Сондықтан мен реле арқылы сервоға күніне екі рет сүзгісіз суретке түсіруді ұсындым. Бұл релені басқару сигналын беру үшін Pi -дегі басқа сандық шығыс түйреуішін қолдануды қажет етті.

6 -қадам: Қуат беру

Бұл жобада қуат қажет төрт элемент бар:

1. Raspberry Pi
2. Wi-Fi кілті (егер сіз кіріктірілген Wi-Fi бар Pi үлгісін қолдансаңыз, бұл қажет емес)
3. 5В релесі
4. Серво

Маңызды: Сервоны Raspberry Pi -дегі 5В істікшеден тікелей қосуға тырыспаңыз. Серво Pi жеткізе алатыннан гөрі көбірек ток алады және сіз тақтаға орны толмас зиян келтіресіз. Оның орнына серво мен релені қуаттандыру үшін бөлек қуат көзін пайдаланыңыз.

Менің жасағаным - бір 5В қабырғаға арналған сиқырды Пиді қуаттандыру үшін, екіншісін ескі USB хабын қосу үшін қолдандым. Хаб Wi-Fi кілтін қосуға және реле мен сервоға қуат беру үшін қолданылады. Серво мен реледе USB ұялары жоқ, сондықтан мен ескі USB кабелін алып, коннекторды құрылғының ұшынан қиып алдым. Содан кейін мен 5В және жерге қосылған сымдарды шешіп, реле мен сервоға жалғадым. Бұл Pi құрылғыларына зақым келтірместен сол құрылғыларға қуат көзін берді.

Ескерту: Pi және сыртқы компоненттер толық тәуелсіз емес. Пи -ден реле мен сервоға келетін басқару сигналдары болғандықтан, сізде сол элементтерден Пи -ге оралатын жер сызығы болуы керек. Wi-Fi жұмыс істеуі үшін хаб пен Pi арасында USB байланысы да бар. Электр инженері, мүмкін, жердегі ілмектер мен басқа да электрлік қателіктерден қорқады, бірақ бәрі жұмыс істейді, сондықтан мен инженерлік жетістіктердің жоқтығына алаңдамаймын.:)

7 -қадам: Барлығын біріктіру

Барлық бөлшектерді қосқаннан кейін, келесі қадам - серво, ысырма тұтқасы мен камераны бекіту тақтасына орнату.

Жоғарыдағы бір суретте сіз ысырманың орнында тұрғанын көре аласыз (мен әлі жапсырмаған күн пленкасын алып тастағанда). Ысырманың тұтқасы 1/4 дюймдік HDPE -ден жасалған және сервомен бірге жеткізілген стандартты хабтардың бірі арқылы бекітілген.

Басқа суретте сіз орнату тақтасының артқы жағын және сервоприемник пен камераның қалай бекітілгенін көре аласыз. Мен бұл суретті түсіргеннен кейін камераның линзасын ысырманың тұтқасына жақындату үшін ақ түсті бөлікті қайта жасадым, содан кейін оны жасыл түспен қайта басып шығардым. Сондықтан басқа суреттерде ақ бөлігі жоқ.

Сақтық сөзі

Камера модулінде тақтада нақты камераны электрониканың қалған бөлігімен байланыстыратын өте кішкентай кішкене таспалы кабель бар. Бұл кішкентай коннектор розеткадан жиі шығып кететін жағымсыз үрдіске ие. Ол шыққанда, raspistill камера қосылмағанын хабарлайды. Мен үлкен мәселені шешетін жерге дейін үлкен таспалы кабельдің екі ұшын қайта отырғызу үшін көп уақыт өткіздім.

Мәселе тақтадағы кішкене кабельде екенін түсінген соң, мен оны Каптон таспасымен ұстауға тырыстым, бірақ бұл нәтиже бермеді, мен ақыры ыстық желімге жүгіндім. Әзірге желім оны орнында ұстады.

8 -қадам: сайтты таңдау

Әлемнің керемет телескоптары Перу, Гавайи тауларының шыңдарында немесе басқа біршама алыс жерде орналасқан. Бұл жоба үшін менің үміткер сайттардың толық тізімі:

• Менің үйімнің терезесі шығысқа қарайды
• Менің үйімде батысқа қарайтын терезе
• Менің үйімнің терезесі оңтүстікке қарайды

Бұл тізімде Перу мен Гавайи жоқ. Осы таңдауларды ескере отырып, мен не істеуім керек еді?

Оңтүстікке қарайтын терезеде ашық кеңістік бар, бірақ ғимараттар көрінбейді, бірақ ауа райының тығыздалуына байланысты ақау анық емес. Батысқа қарайтын терезеде Pikes Peak-тің керемет көрінісі бар және ол керемет көріністі жасайтын еді, бірақ ол отбасылық бөлмеде орналасқан, ал менің әйелім менің ғылыми жобамды бір жыл бойы көрнекті түрде көрсеткенді ұнатпауы мүмкін. Бұл мені үлкен антенналық мұнара мен жергілікті Safeway артқы жағына қарайтын шығысқа қарайтын көрініс қалдырды. Бұл өте әдемі емес, бірақ бұл ең жақсы таңдау болды.

Шынында да, ең бастысы - бұл жобаның қозғалмайтын, қозғалмайтын немесе басқаша бұзылмайтын орынды табу. Егер сіз күнді екі сағат бойы кадрға түсірсеңіз, кез келген бағыт жұмыс істейді.

9 -қадам: суретке түсіру

Бұлтты аспан

Мен жыл сайын күн сәулесі түсетін жерде өмір сүремін, бұл жақсы, өйткені бұлт суреттермен бүлдіреді. Егер аздап бұлтты болса, күн мен бұлтсыз күнде жақсы анықталған қызғылт сары дискіге емес, ақшыл жасыл диск тәрізді шығады. Егер бұлыңғыр болса, суретте ештеңе көрінбейді.

Мен бұл мәселелерді шешуге көмектесетін суретті өңдеуге арналған бағдарламалық қамтамасыз етуді жаза бастадым, бірақ бұл код әлі дайын емес. Оған дейін маған ауа райының тұрақсыздығымен айналысу керек.

Деректердің сақтық көшірмесін жасаңыз

Мен қолданатын камерамен және түсіретін суреттерімнің санымен мен күн сайын шамамен 70 МБ кескін шығарамын. Pi-дегі micro-SD картасы бір жылдық деректерді сақтауға жеткілікті үлкен болса да, мен оған сенбеймін. Мен бірнеше күн сайын scp көмегімен соңғы деректерді жұмыс үстеліне көшіремін. Мен суреттерді олардың жақсы екеніне және таңқаларлық ештеңе болмағанына көз жеткізу үшін қараймын. Содан кейін мен барлық файлдарды NAS -ға көшіремін, осылайша менде деректердің екі тәуелсіз көшірмесі болады. Осыдан кейін мен Pi -ге оралып, бастапқы файлдарды жоямын.

10 -қадам: Аналемма (немесе … астрономиялық үлкен сегіздік)

Осьтік көлбеу мен ендіктерді анықтаудан басқа, күн сайын бір уақытта суретке түсіру бізге Күннің бір жыл ішінде өтетін жолының керемет көрінісін береді.

Егер сіз Том Хэнкспен бірге «Алыс бол» фильмін көрген болсаңыз, ол үңгірдегі күннің жолын уақыт бойынша белгілеп, сегіз фигурасын жасағанын еске түсіре аласыз. Мен бұл көріністі бірінші рет көргенде, мен бұл құбылыс туралы көбірек білгім келді және он жеті жылдан кейін, мен ақырында дәл осылай жасай бастадым!

Бұл пішін аналемма деп аталады және ол Жер осінің қисайуының нәтижесі және Жердің орбитасы эллипс тәрізді және мінсіз шеңбер емес. Фильмге түсіру камераны орнату және күн сайын бір уақытта суретке түсіру сияқты қарапайым. Интернетте аналемманың өте жақсы суреттері көп болса да, біз бұл жобада жасайтын нәрселердің бірі - өзіміздің суретті жасау. Аналемма туралы және пайдалы альманахтың орталығы бола алатыны туралы көбірек білу үшін осы мақаланы қараңыз.

Сандық фотография пайда болғанға дейін аналемманың суретін түсіру нақты фотографиялық дағдыларды қажет етеді, өйткені сізге бір пленкаға бірнеше экспозицияны мұқият түсіру қажет болады. Әлбетте, Raspberry Pi камерасында фильм жоқ, сондықтан шеберлік пен шыдамдылықтың орнына біз бірдей әсер алу үшін бірнеше сандық суреттерді біріктіреміз.

11 -қадам: Енді не болады?

Кішкентай камера-робот орнында және күн сайын адал суретке түсіреді, енді не істеу керек? Белгілі болғандай, әлі де атқарылатын істер аз емес. Назар аударыңыз, олардың көпшілігі питон жазуды және OpenCV қолдануды қамтиды. Мен питонды жақсы көремін және OpenCV-ді үйренуге ақтау алғым келеді, сондықтан бұл мен үшін жеңіс!

1. Бұлтты күндерді автоматты түрде анықтау Егер тым бұлтты болса, күн пленкасы мен қысқа ысырма жылдамдығы мөлдір емес сурет жасайды. Мен бұл жағдайды автоматты түрде анықтап, содан кейін ысырма жылдамдығын арттырғым келеді немесе күн сүзгісін жолдан шығарғым келеді.
2. Бұлтты суреттерде де күнді табу үшін кескінді өңдеуді қолданыңыз, егер бұлт жолда болса да, күннің орталық нүктесін табуға болады деп ойлаймын.
3. Күн дискілерін күндізгі күннің жүру жолын анықтау үшін таза фондық суретке салыңыз
4. Аналемма жасаңыз Соңғы әдіспен бірдей, бірақ күн сайын бір уақытта түсірілген суреттерді қолданыңыз
5. Камераның бұрыштық ажыратымдылығын өлшеңіз (градус/пиксель) бұл маған кейінгі есептеулер үшін қажет

Бұл көп нәрсе, бірақ бұл мені біраз уақыт бос қалдырады.

Менімен соңына дейін болғаныңыз үшін рахмет. Сізге бұл жобаның сипаттамасы ұнады деп үміттенемін және бұл сіздің келесі жобаңызды шешуге талпындырады!