Observatorio solar: 11 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

¿Cuál es la inclinación del eje de la Tierra? ¿En qué latitud estoy?

Si desea una respuesta rápida, puede recurrir a Google o una aplicación de GPS en su teléfono inteligente. Pero si tiene una Raspberry Pi, un módulo de cámara y un año más o menos para hacer algunas observaciones, puede determinar las respuestas a estas preguntas usted mismo. Al configurar una cámara con un filtro solar en una ubicación fija y usar el Pi para tomar fotografías a la misma hora todos los días, puede recopilar una gran cantidad de datos sobre la trayectoria del sol a través del cielo y, por extensión, la trayectoria de la Tierra alrededor. el sol. En este Instructable, les muestro cómo hice mi propio observatorio solar por menos de $ 100.

Sin embargo, antes de ir mucho más lejos, debo señalar que solo llevo dos meses en mi experimento de un año, por lo que no podré incluir los resultados finales. Sin embargo, puedo compartir mi experiencia en la construcción de este proyecto y, con suerte, darte una idea de cómo construir el tuyo propio.

Si bien no es nada difícil, este proyecto brinda la oportunidad de ejercitar varias habilidades diferentes. Como mínimo, debe poder conectar una Raspberry Pi a una cámara y un servo, y deberá poder hacer algún nivel de desarrollo de software para extraer datos de las imágenes que toma. También utilicé herramientas básicas de carpintería y una impresora 3D, pero no son cruciales para este proyecto.

También describiré el esfuerzo de recopilación de datos a largo plazo que he realizado y cómo usaré OpenCV para convertir cientos de imágenes en datos numéricos que se pueden analizar utilizando una hoja de cálculo o el lenguaje de programación de su elección. Como beneficio adicional, también aprovecharemos nuestro lado artístico y veremos algunas imágenes visuales interesantes.

Paso 1: Tldr; Instrucciones breves

Este Instructable es un poco largo, así que para comenzar, aquí están las instrucciones básicas, sin detalles adicionales.

1. Obtenga una Raspberry Pi, cámara, servo, relé, película solar, verrugas en las paredes y hardware variado
2. Conecta todo ese hardware
3. Configure el Pi y escriba algunos scripts simples para tomar fotografías y guardar los resultados
4. Construya una caja de proyecto y monte todo ese hardware en ella
5. Encuentre un lugar para colocar el proyecto donde pueda ver el sol y no sea golpeado o empujado
6. Ponlo ahí
7. Empiece a tomar fotografías
8. Cada pocos días, mueva las imágenes a otra computadora para que no llene su tarjeta SD
9. Empiece a aprender OpenCV para que pueda extraer datos de sus imágenes
10. Espera un año

Ese es el proyecto en pocas palabras. Ahora siga leyendo para obtener detalles adicionales sobre estos pasos.

Paso 2: antecedentes

Los seres humanos han estado observando el sol, la luna y las estrellas durante tanto tiempo y este proyecto no logra nada que nuestros antepasados no hicieran hace miles de años. Pero en lugar de colocar un palo en el suelo y usar rocas para marcar la ubicación de las sombras en momentos clave, usaremos una Raspberry Pi y una cámara y lo haremos todo desde el interior de la comodidad de nuestros hogares. Su proyecto no será un sitio turístico dentro de mil años, pero en el lado positivo, tampoco tendrá que luchar para colocar rocas gigantes en su lugar.

La idea general de este proyecto es apuntar una cámara a un lugar fijo en el cielo y tomar fotografías a la misma hora todos los días. Si tiene un filtro adecuado en su cámara y la velocidad de obturación correcta, tendrá imágenes nítidas y bien definidas del disco del sol. Con estas imágenes, puede poner un palo virtual en el suelo y aprender algunas cosas interesantes.

Para mantener manejable el tamaño de este Instructable, todo lo que cubriré es cómo determinar la inclinación del eje de la Tierra y la latitud donde se toman las imágenes. Si la sección de comentarios indica suficiente interés, puedo hablar sobre algunas de las otras cosas que puede aprender de su observatorio solar en un artículo de seguimiento.

Inclinación axial El ángulo entre el sol en el día que está más al norte y el día en que está más al sur es el mismo que la inclinación del eje de la Tierra. Es posible que haya aprendido en la escuela que esto es 23,5 grados, pero ahora lo sabrá por sus propias observaciones y no simplemente por un libro de texto.

Latitud Ahora que conocemos la inclinación del eje de la Tierra, reste eso de la elevación de la trayectoria del sol en el día más largo del año para conocer la latitud de su ubicación actual.

Obviamente, podrías encontrar estos valores de manera mucho más precisa y rápida, pero si eres del tipo de persona que lee Instructables, sabes que hay mucha satisfacción al hacerlo tú mismo. Aprender datos sobre el mundo que te rodea usando nada más que observaciones simples y directas y matemáticas directas es el objetivo de este proyecto.

Paso 3: componentes necesarios

Si bien podría hacer todo este proyecto con una cámara adecuada y costosa, no tengo una de esas. Un objetivo de este proyecto era hacer uso de lo que ya tenía a mano de proyectos anteriores. Esto incluía una Raspberry Pi, un módulo de cámara y la mayoría de los otros elementos que se enumeran a continuación, aunque tuve que ir a Amazon por algunos de ellos. El costo total si tiene que comprar todo será de alrededor de 100 USD.

• Raspberry Pi (cualquier modelo servirá)
• Módulo de cámara Raspberry Pi
• Cable plano más largo para cámara (opcional)
• Dongle inalámbrico
• Servo estándar
• Relé de 5V
• Concentrador USB alimentado
• Regleta de enchufes y cable de extensión
• Hoja de película solar
• Madera de desecho, plástico, HDPE, etc.
• Tablero de proyecto corrugado

También utilicé mi impresora 3D Monoprice, pero fue una conveniencia y no una necesidad. Un poco de creatividad de su parte le permitirá encontrar una forma adecuada de arreglárselas sin eso.

Paso 4: configurar la Raspberry Pi

Configuración

No voy a entrar en muchos detalles aquí y asumiré que se siente cómodo instalando un sistema operativo en la Pi y configurándolo. Si no es así, existen muchos recursos en la web para ayudarlo a comenzar.

Estas son las cosas más importantes a las que debe prestar atención durante la configuración.

• Asegúrese de que su conexión WiFi se inicie automáticamente cuando el Pi se reinicia
• Habilitar ssh El proyecto probablemente se instalará en un lugar apartado para que no lo tenga conectado a un monitor y teclado. Utilizará ssh & scp bastante para configurarlo y copiar imágenes a otra computadora.
• Asegúrese de habilitar el inicio de sesión automático a través de ssh para que no tenga que ingresar su contraseña manualmente cada vez
• Habilite el módulo de la cámara Mucha gente conecta la cámara pero se olvida de habilitarla
• Desactivar el modo GUI Se ejecutará sin cabeza, por lo que no es necesario gastar recursos del sistema en un servidor X
• Instale el paquete gpio usando apt-get o similar
• Establece la zona horaria en UTC. Quieres tus fotos a la misma hora todos los días y no quieres que el horario de verano te desvíe. Es más fácil usar UTC.

Ahora sería un buen momento para experimentar con el módulo de la cámara. Utilice el programa 'raspistill' para tomar algunas fotografías. También debe experimentar con las opciones de la línea de comandos para ver cómo se controla la velocidad del obturador.

Interfaces de hardware

El módulo de la cámara tiene su propia interfaz de cable plano dedicada, pero usamos los pines GPIO para controlar el relé y el servo. Tenga en cuenta que hay dos esquemas de numeración diferentes de uso común y es fácil confundirse. Prefiero usar la opción '-g' para el comando gpio para poder usar los números de pin oficiales.

Su selección de pines puede variar si tiene un modelo Pi diferente al que estoy usando. Consulte los diagramas de distribución de pines para su modelo específico como referencia.

• Pin 23 - Salida digital a relé Esta señal enciende el relé, que proporciona energía al servo
• Pin 18 - PWM al servo La posición del servo está controlada por una señal de modulación de ancho de pulso
• Tierra: cualquier pin de tierra será suficiente

Consulte los scripts de shell adjuntos para controlar estos pines.

Nota: El cuadro de diálogo de carga en este sitio objetó mis intentos de cargar archivos que terminaban en '.sh'. Así que les cambié el nombre con una extensión '.notsh' y la carga funcionó bien. Probablemente desee cambiarles el nombre de nuevo a '.sh' antes de usarlos.

crontab

Como quiero tomar fotografías cada cinco minutos durante un período de aproximadamente 2.5 horas, usé crontab, que es una utilidad del sistema para ejecutar comandos programados incluso cuando no estás conectado. La sintaxis para esto es un poco torpe, así que usa el motor de búsqueda de su elección para obtener más detalles. Se adjuntan las líneas relevantes de mi crontab.

Lo que hacen estas entradas es a) tomar una foto cada cinco minutos con el filtro solar en su lugar yb) esperar unas horas y tomar un par de fotos sin filtro en su lugar.

Paso 5: Cuadro de proyecto

Voy a escatimar en las instrucciones de esta sección y lo dejaré a su propia imaginación. La razón es que cada instalación será diferente y dependerá de dónde instale el proyecto y los tipos de material con el que esté trabajando.

El aspecto más importante de la caja del proyecto es que se coloque de manera que no se mueva fácilmente. La cámara no debe moverse una vez que comience a tomar fotografías. De lo contrario, tendrá que escribir un software para realizar el registro de imágenes y alinear todas las imágenes digitalmente. Es mejor tener una plataforma fija para no tener que lidiar con ese problema.

Para mi caja de proyecto, utilicé MDF de 1/2 ", una pequeña pieza de madera contrachapada de 1/4", un marco impreso en 3D para sostener la cámara en el ángulo deseado y una placa de proyecto corrugada blanca. Esa última pieza se coloca frente al marco impreso en 3D para protegerlo de la luz solar directa y evitar posibles problemas de deformación.

Dejé la parte de atrás y la parte superior de la caja abiertas en caso de que necesite llegar a la electrónica, pero eso aún no ha sucedido. Ha estado funcionando durante siete semanas sin necesidad de arreglos o ajustes de mi parte.

Filtro movible

La única parte de la caja del proyecto que merece alguna explicación es el servo con el brazo móvil.

El módulo de cámara estándar de Raspberry Pi no funciona tan bien si solo lo apuntas al sol y tomas una foto. Confía en mí en esto … lo intenté.

Para obtener una imagen útil del sol, debe colocar un filtro solar frente a la lente. Probablemente haya filtros prefabricados costosos que puede comprar para esto, pero yo hice el mío usando un pequeño trozo de película solar y un trozo de HDPE de 1/4 con un orificio circular. La película solar se puede comprar en Amazon por alrededor de $ 12. En retrospectiva, podría haber pedido una pieza mucho más pequeña y ahorrar un poco de dinero. Si tiene algunas gafas viejas de eclipse solar sin usar, es posible que pueda cortar una de las lentes y hacer un filtro adecuado.

Hacer que el filtro se mueva

Si bien la mayoría de las fotografías que tome se realizarán con el filtro en su lugar, también desea obtener fotografías en otros momentos del día cuando el sol esté fuera de cuadro. Estos son los que usará como imágenes de fondo para superponer sus imágenes de sol filtradas. Podrías construirlo para mover manualmente el filtro y tomar estas imágenes de fondo, pero yo tenía un servo adicional y quería automatizar ese paso.

¿Para qué sirve el relé?

Entre la forma en que el Pi genera señales PWM y el servo de gama baja que usé, hubo momentos en que encendía todo y el servo simplemente se sentaba allí y "charlaba". Es decir, se movería hacia adelante y hacia atrás en pasos muy pequeños mientras trataba de encontrar la posición exacta que dominaba el Pi. Esto hizo que el servo se calentara mucho y emitiera un ruido molesto. Así que decidí usar un relé para proporcionar energía al servo solo durante las dos veces al día que quiero tomar fotografías sin filtrar. Esto requirió el uso de otro pin de salida digital en el Pi para proporcionar la señal de control al relé.

Paso 6: Suministro de energía

Hay cuatro elementos que necesitan energía en este proyecto:

1. Frambuesa pi
2. Dongle de Wi-Fi (si está utilizando un modelo Pi posterior con wi-fi incorporado, esto no será necesario)
3. Relé de 5V
4. Servo

Importante: No intente alimentar el servo directamente desde el pin de 5V en la Raspberry Pi. El servo consume más corriente de la que puede suministrar el Pi y causarás un daño irreparable a la placa. En su lugar, utilice una fuente de alimentación independiente para alimentar el servo y el relé.

Lo que hice fue usar una verruga de pared de 5V para alimentar el Pi y otra para alimentar un viejo concentrador USB. El concentrador se utiliza para conectar el dongle Wi-Fi y para suministrar energía al relé y al servo. El servo y el relé no tienen conectores USB, así que tomé un cable USB viejo y corté el conector del extremo del dispositivo. Luego quité los cables de 5V y de tierra y los conecté al relé y al servo. Esto proporcionó una fuente de energía a esos dispositivos sin riesgo de dañar el Pi.

Nota: El Pi y los componentes externos no son completamente independientes. Debido a que tiene señales de control que vienen del Pi al relé y al servo, también debe tener una línea de tierra que regrese de esos elementos al Pi. También hay una conexión USB entre el concentrador y el Pi para que el wi-fi pueda funcionar. Un ingeniero eléctrico probablemente se estremecería ante la posibilidad de bucles de tierra y otros daños eléctricos, pero todo funciona, así que no me voy a preocupar por la falta de excelencia en ingeniería.:)

Paso 7: Poniéndolo todo junto

Una vez que tenga todas las piezas conectadas, el siguiente paso es montar el servo, el brazo del obturador y la cámara en la placa de montaje.

En una imagen de arriba, puede ver el brazo del obturador en su posición (menos la película solar, que aún no había pegado con cinta adhesiva). El brazo del obturador está hecho de HDPE de 1/4 y se fija mediante uno de los concentradores estándar que vienen con el servo.

En la otra imagen, puede ver la parte posterior de la placa de montaje y cómo están conectados el servo y la cámara. Después de tomar esta foto, rediseñé la pieza blanca que ves para acercar la lente de la cámara al brazo del obturador y luego la reimprimí en verde. Es por eso que en otras imágenes la parte blanca no está presente.

Palabra de precaución

El módulo de la cámara tiene un cable plano muy pequeño en la placa que conecta la cámara real con el resto de los componentes electrónicos. Este pequeño conector tiene una tendencia molesta a salirse de su enchufe con frecuencia. Cuando aparece, raspistill informa que la cámara no está conectada. Pasé mucho tiempo volviendo a colocar infructuosamente ambos extremos del cable plano más grande antes de darme cuenta de dónde estaba el verdadero problema.

Después de darme cuenta de que el problema era el pequeño cable de la placa, intenté sujetarlo con cinta Kapton, pero no funcionó y finalmente recurrí a un poco de pegamento caliente. Hasta ahora, el pegamento lo ha mantenido en su lugar.

Paso 8: Selección del sitio

Los grandes telescopios del mundo están ubicados en las cimas de las montañas en Perú, Hawai o en algún otro lugar relativamente remoto. Para este proyecto, mi lista completa de sitios candidatos incluía:

• Un alféizar de mi casa orientado al este
• Un alféizar de mi casa orientado al oeste
• Un alféizar de mi casa orientado al sur

Notablemente ausentes de esta lista están Perú y Hawai. Entonces, dadas estas opciones, ¿qué iba a hacer?

La ventana que da al sur tiene una extensión abierta sin edificios a la vista, pero debido a un problema con el sello de clima, no es ópticamente transparente. La ventana que da al oeste incluye una gran vista de Pikes Peak y hubiera sido una vista excelente, pero está ubicada en la sala familiar y es posible que a mi esposa no le guste que mi proyecto de ciencias se exhiba de manera tan prominente durante todo un año. Eso me dejó con la vista orientada al este que da a una gran torre de antena y la parte trasera del Safeway local. No muy bonita, pero esa fue la mejor opción.

Realmente, lo más importante es encontrar un lugar donde el proyecto no sea empujado, movido o perturbado de otra manera. Siempre que puedas poner el sol en el marco durante una hora dos al día, cualquier dirección funcionará.

Paso 9: tomar fotografías

Cielos nublados

Vivo en un lugar que recibe mucho sol cada año, lo cual es bueno ya que las nubes realmente hacen estragos en las imágenes. Si está un poco nublado, el sol sale como un disco verde pálido en lugar del disco naranja bien definido que obtengo en un día despejado. Si está bastante nublado, no aparece nada en la imagen.

Comencé a escribir un software de procesamiento de imágenes para ayudar a aliviar estos problemas, pero ese código aún no está listo. Hasta entonces, solo tengo que lidiar con los caprichos del clima.

¡Haga una copia de seguridad de sus datos

Con la cámara que estoy usando y la cantidad de fotografías que tomo, genero alrededor de 70 MB de imágenes cada día. Incluso si la tarjeta micro-SD del Pi fuera lo suficientemente grande como para almacenar datos de un año, no me fiaría de ella. Cada pocos días, uso scp para copiar los datos recientes en mi escritorio. Allí, veo las imágenes para asegurarme de que están bien y de que no pasó nada extraño. Luego copio todos esos archivos a mi NAS para tener dos copias independientes de los datos. Después de eso, vuelvo al Pi y elimino los archivos originales.

Paso 10: Analema (o … una figura de ocho astronómicamente grande)

Además de determinar la inclinación axial y la latitud, tomar fotografías a la misma hora todos los días también puede proporcionarnos una vista muy fresca de la trayectoria del Sol en el transcurso de un año.

Si alguna vez has visto la película Cast Away with Tom Hanks, es posible que recuerdes la escena en la cueva donde marcó el camino del sol a lo largo del tiempo y formó una figura de ocho. Cuando vi esa escena por primera vez, quería aprender más sobre ese fenómeno y apenas diecisiete años después, ¡finalmente estoy comenzando a hacer precisamente eso!

Esta forma se llama analema y es el resultado de la inclinación del eje de la Tierra y el hecho de que la órbita de la Tierra es elíptica y no un círculo perfecto. Capturar una en película es tan simple como configurar una cámara y tomar una foto a la misma hora todos los días. Si bien hay muchas imágenes muy buenas de analema en la web, una de las cosas que haremos en este proyecto es crear las nuestras. Para obtener más información sobre el analema y cómo uno puede ser la pieza central de un almanaque bastante útil, consulte este artículo.

Antes del advenimiento de la fotografía digital, capturar una imagen de un analema requería habilidades fotográficas reales, ya que tendría que tomar con cuidado múltiples exposiciones en la misma película. Obviamente, la cámara Raspberry Pi no tiene película, por lo que en lugar de habilidad y paciencia, simplemente combinaremos varias imágenes digitales para obtener el mismo efecto.

Paso 11: ¿Qué sigue?

Ahora que el pequeño robot-cámara está en su lugar y toma fotografías fielmente todos los días, ¿qué sigue? Resulta que todavía quedan bastantes cosas por hacer. Tenga en cuenta que la mayoría de estos implicarán escribir Python y usar OpenCV. Me gusta Python y quería una excusa para aprender OpenCV, ¡así que es una ventaja para mí!

1. Detecta automáticamente los días nublados Si está demasiado nublado, la película solar y la velocidad de obturación corta crean una imagen opaca. Quiero detectar automáticamente esa condición y luego aumentar la velocidad del obturador o apartar el filtro solar.
2. Utilice el procesamiento de imágenes para encontrar el sol incluso en imágenes nubladas. Sospecho que es posible encontrar el punto central del sol incluso si hay nubes en el camino.
3. Superponga los discos solares en una imagen de fondo clara para formar una pista de la trayectoria del sol durante el día.
4. Crear un analema La misma técnica básica que el último paso pero usando fotografías tomadas a la misma hora todos los días.
5. Mida la resolución angular de la cámara (grados / píxel) Lo necesitaré para mis cálculos posteriores

Hay más que esto, pero eso me mantendrá ocupado por un tiempo.

Gracias por quedarte conmigo hasta el final. Espero que te haya gustado esta descripción del proyecto y que te motive a abordar tu próximo proyecto.