Observatório Solar: 11 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Qual é a inclinação do eixo da Terra? Em que latitude estou?

Se você quiser uma resposta rápida, pode recorrer ao Google ou a um aplicativo GPS em seu smartphone. Mas se você tem um Raspberry Pi, um módulo de câmera e mais ou menos um ano para fazer algumas observações, você mesmo pode determinar as respostas a essas perguntas. Ao configurar uma câmera com filtro solar em um local fixo e usar o Pi para tirar fotos no mesmo horário todos os dias, você pode coletar muitos dados sobre o caminho do sol no céu e, por extensão, o caminho da Terra ao redor o sol. Neste Instructable, mostro como fiz meu próprio observatório solar por menos de $ 100.

Antes de prosseguirmos, porém, devo salientar que estou apenas dois meses em meu experimento de um ano, então não poderei incluir os resultados finais. No entanto, posso compartilhar minha experiência na construção deste projeto e espero dar a você uma ideia de como construir o seu próprio.

Embora não seja nada difícil, este projeto oferece a oportunidade de exercitar várias habilidades diferentes. No mínimo, você precisa ser capaz de conectar um Raspberry Pi a uma câmera e a um servo e precisa ser capaz de desenvolver algum software para extrair dados das fotos tiradas. Também utilizei ferramentas básicas de marcenaria e uma impressora 3D, mas não são fundamentais para este projeto.

Também descreverei o esforço de coleta de dados de longo prazo que empreendi e como usarei o OpenCV para transformar centenas de imagens em dados numéricos que podem ser analisados usando uma planilha ou a linguagem de programação de sua escolha. Como um bônus, também exploraremos nosso lado artístico e veremos algumas imagens visuais interessantes.

Etapa 1: Tldr; Instruções Curtas

Este Instructable é um pouco longo, então, para começar, aqui está o básico, sem instruções extras fornecidas.

1. Obtenha um Raspberry Pi, câmera, servo, relé, filme solar, verrugas de parede e diversos equipamentos
2. Conecte todo aquele hardware
3. Configure o Pi e escreva alguns scripts simples para tirar fotos e salvar os resultados
4. Construir uma caixa de projeto e montar todo o hardware nela
5. Encontre um lugar para colocar o projeto onde ele possa ver o sol e não seja batido ou empurrado
6. Coloque isso lá
7. Comece a tirar fotos
8. A cada poucos dias, mova as fotos para outro computador para não encher o cartão SD
9. Comece a aprender OpenCV para que possa extrair dados de suas imagens
10. Espere um ano

Esse é o projeto em poucas palavras. Agora continue lendo para obter detalhes adicionais sobre essas etapas.

Etapa 2: Plano de fundo

Os humanos têm observado o sol, a lua e as estrelas desde que existimos e este projeto não realiza nada que nossos ancestrais não fizeram há milhares de anos. Mas em vez de colocar um pedaço de pau no chão e usar pedras para marcar os locais das sombras em momentos-chave, usaremos um Raspberry Pi e uma câmera e faremos tudo de dentro do conforto de nossas casas. Seu projeto não será um local turístico daqui a mil anos, mas pelo lado positivo, você também não terá que lutar para colocar pedras gigantescas no lugar.

A ideia geral neste projeto é apontar uma câmera para um local fixo no céu e tirar fotos no mesmo horário todos os dias. Se você tiver um filtro adequado em sua câmera e a velocidade correta do obturador, terá imagens nítidas e bem definidas do disco solar. Usando essas fotos, você pode colocar um stick virtual no chão e aprender algumas coisas interessantes.

Para manter o tamanho desse Instructable gerenciável, tudo o que abordarei é como determinar a inclinação do eixo da Terra e a latitude onde as fotos são tiradas. Se a seção de comentários indicar interesse suficiente, posso falar sobre algumas das outras coisas que você pode aprender com seu observatório solar em um artigo subsequente.

Inclinação axialO ângulo entre o sol no dia em que ele está mais ao norte e no dia em que está mais ao sul é igual à inclinação do eixo da Terra. Você pode ter aprendido na escola que isso é 23,5 graus, mas agora você saberá por suas próprias observações e não simplesmente por um livro didático.

LatitudeAgora que sabemos a inclinação do eixo da Terra, subtraia isso da elevação da trajetória do sol no dia mais longo do ano para saber a latitude de sua localização atual.

Obviamente, você poderia encontrar esses valores com muito mais precisão e rapidez, mas se você é o tipo de pessoa que lê Instructables, sabe que há muita satisfação em fazê-lo sozinho. Aprender fatos sobre o mundo ao seu redor usando nada mais do que algumas observações simples e diretas e matemática direta é o objetivo deste projeto.

Etapa 3: Componentes necessários

Embora você possa fazer todo o projeto com uma câmera apropriadamente cara e sofisticada, eu não tenho uma dessas. Uma meta para este projeto era aproveitar o que já tinha em mãos de projetos anteriores. Isso incluía um Raspberry Pi, módulo de câmera e a maioria dos outros itens listados abaixo, embora eu tivesse que ir para a Amazon para alguns deles. O custo total se você tiver que comprar tudo será em torno de 100 USD.

• Raspberry Pi (qualquer modelo serve)
• Módulo de câmera Raspberry Pi
• Cabo de fita mais longo para câmera (opcional)
• Dongle sem fio
• Servo padrão
• Relé 5V
• Hub USB alimentado
• Faixa de alimentação e cabo de extensão
• Folha de filme solar
• Sucata de madeira serrada, plástico, HDPE, etc.
• Placa de projeto ondulada

Também fiz uso da minha impressora Monoprice 3D, mas era uma comodidade e não uma necessidade. Um pouco de criatividade da sua parte permitirá que você encontre uma maneira adequada de sobreviver sem isso.

Etapa 4: Configurando o Raspberry Pi

Configurar

Não vou entrar em muitos detalhes aqui e presumirei que você se sinta confortável em instalar um sistema operacional no Pi e configurá-lo. Caso contrário, existem muitos recursos na web para ajudá-lo a começar.

Aqui estão os itens mais importantes a serem observados durante a configuração.

• Certifique-se de que sua conexão WiFi inicie automaticamente quando o Pi for reiniciado
• Habilite o sshO projeto provavelmente será instalado em um lugar afastado, então você não o terá conectado a um monitor e teclado. Você usará bastante o ssh e scp para configurá-lo e copiar as imagens para outro computador.
• Certifique-se de habilitar o login automático via ssh para que você não tenha que inserir sua senha manualmente todas as vezes
• Habilite o módulo da câmera Muitas pessoas conectam a câmera, mas esquecem de habilitá-la
• Desative o modo GUI; você estará executando sem comando, então não há necessidade de gastar recursos do sistema executando um servidor X
• Instale o pacote gpio usando apt-get ou similar
• Defina o fuso horário para UTC. Você quer suas fotos no mesmo horário todos os dias e não quer se perder no horário de verão. Mais fácil apenas usar o UTC.

Agora seria um bom momento para experimentar o módulo da câmera. Use o programa 'raspistill' para tirar algumas fotos. Você também deve experimentar as opções de linha de comando para ver como a velocidade do obturador é controlada.

Interfaces de hardware

O módulo da câmera tem sua própria interface de cabo flexível dedicada, mas usamos os pinos GPIO para controlar o relé e o servo. Observe que há dois esquemas de numeração diferentes em uso comum e é fácil se confundir. Eu prefiro usar a opção '-g' para o comando gpio para que eu possa usar os números de pinos oficiais.

Sua seleção de pinos pode variar se você tiver um modelo de Pi diferente do que estou usando. Consulte os diagramas de pinagem de seu modelo específico para referência.

• Pino 23 - Saída digital para relé. Este sinal liga o relé, que fornece energia para o servo
• Pino 18 - PWM para o servo. A posição do servo é controlada por um sinal de modulação por largura de pulso
• Terra - Qualquer pino de aterramento será suficiente

Consulte os scripts de shell em anexo para controlar esses pinos.

Nota: A caixa de diálogo de upload neste site objetou às minhas tentativas de fazer upload de arquivos que terminavam em '.sh'. Então, eu os renomei com uma extensão '.notsh' e o upload funcionou bem. Você provavelmente desejará renomeá-los de volta para '.sh' antes de usar.

crontab

Como quero tirar fotos a cada cinco minutos por um período de cerca de 2,5 horas, usei o crontab, que é um utilitário do sistema para executar comandos programados mesmo quando você não está logado. A sintaxe para isso é um pouco desajeitada, então use o mecanismo de pesquisa de sua escolha para obter mais detalhes. As linhas relevantes do meu crontab estão anexadas.

O que essas entradas fazem é a) tirar uma foto a cada cinco minutos com o filtro solar no lugar eb) esperar algumas horas e tirar algumas fotos sem filtro no lugar.

Etapa 5: Caixa de Projeto

Vou realmente economizar nas instruções desta seção e deixá-lo com sua própria imaginação. A razão é que cada instalação será diferente e dependerá de onde você instala o projeto e dos tipos de material com que está trabalhando.

O aspecto mais importante da caixa do projeto é que ela seja colocada de forma que não se mova facilmente. A câmera não deve se mover depois que você começa a tirar fotos. Caso contrário, você terá que escrever um software para realizar o registro da imagem e alinhar todas as imagens digitalmente. Melhor ter uma plataforma fixa para não ter que lidar com esse problema.

Para minha caixa de projeto, usei 1/2 "MDF, um pequeno pedaço de madeira compensada de 1/4", uma moldura impressa em 3D para segurar a câmera no ângulo desejado e um pouco de papelão ondulado branco. Essa última peça é colocada na frente da moldura impressa em 3D para protegê-la da luz solar direta e evitar possíveis problemas de empenamento.

Deixei a parte de trás e a parte superior da caixa abertas para o caso de precisar ir para a parte eletrônica, mas isso ainda não aconteceu. Já está funcionando há sete semanas, sem a necessidade de nenhuma correção ou ajuste de minha parte.

Filtro Móvel

A única parte da caixa do projeto que merece alguma explicação é o servo com o braço móvel.

O módulo padrão da câmera Raspberry Pi não funciona tão bem se você apenas apontá-lo para o sol e tirar uma foto. Acredite em mim … eu tentei.

Para obter uma imagem útil do sol, você deve colocar um filtro solar na frente das lentes. Provavelmente existem filtros pré-fabricados caros que você pode comprar para isso, mas eu fiz o meu usando um pequeno pedaço de filme solar e um pedaço de HDPE de 1/4 com um orifício circular cortado. O filme solar pode ser adquirido em Amazon por cerca de US $ 12. Em retrospecto, eu poderia ter pedido uma peça muito menor e economizado um pouco de dinheiro. Se você tem alguns óculos antigos para eclipse solar não usados, pode cortar uma das lentes e fazer um filtro adequado.

Fazendo o filtro se mover

Embora a maioria das fotos que você tire será com o filtro no lugar, você também deseja tirar fotos em outras horas do dia, quando o sol está fora de quadro. Essas são as imagens que você usará como imagens de fundo para sobrepor as imagens filtradas do sol. Você poderia construí-lo para mover manualmente o filtro e obter essas imagens de fundo, mas eu tinha um servo extra disponível e queria automatizar essa etapa.

Para que serve o relé?

Entre a forma como o Pi gera sinais PWM e o servo low-end que usei, havia momentos em que eu ligava tudo e o servo ficava parado e "tagarelava". Ou seja, ele se moveria para frente e para trás em passos muito pequenos enquanto tentava encontrar a posição exata que o Pi estava comandando. Isso fazia com que o servo esquentasse muito e produzisse um ruído irritante. Portanto, decidi usar um relé para fornecer energia ao servo apenas durante as duas vezes por dia em que quero tirar fotos sem filtro. Isso exigiu o uso de outro pino de saída digital no Pi para fornecer o sinal de controle ao relé.

Etapa 6: Fornecimento de energia

Existem quatro itens que precisam de energia neste projeto:

1. Raspberry Pi
2. Dongle Wi-Fi (se você estiver usando um modelo posterior de Pi com wi-fi integrado, isso não será necessário)
3. Relé 5V
4. Servo

Importante: Não tente alimentar o servo diretamente do pino de 5 V no Raspberry Pi. O servo puxa mais corrente do que o Pi pode fornecer e você causará danos irreparáveis à placa. Em vez disso, use uma fonte de alimentação separada para alimentar o servo e o relé.

O que fiz foi usar uma verruga de parede de 5V para alimentar o Pi e outra para alimentar um hub USB antigo. O hub é usado para conectar o dongle Wi-fi e para fornecer energia ao relé e servo. O servo e o relé não têm conectores USB, então peguei um cabo USB antigo e cortei o conector da extremidade do dispositivo. Em seguida, retirei os fios de 5 V e o aterramento e os conectei ao relé e ao servo. Isso forneceu uma fonte de energia para esses dispositivos sem arriscar danos ao Pi.

Nota: O Pi e os componentes externos não são completamente independentes. Como você tem sinais de controle vindo do Pi para o relé e servo, você também deve ter uma linha de aterramento voltando desses itens para o Pi. Também há uma conexão USB entre o hub e o Pi para que o wi-fi possa funcionar. Um engenheiro elétrico provavelmente estremeceria com a possibilidade de loops de aterramento e outros problemas elétricos, mas tudo funciona, então não vou me preocupar com a falta de excelência em engenharia.:)

Etapa 7: juntando tudo

Depois de conectar todas as peças, o próximo passo é montar o servo, o braço do obturador e a câmera na placa de montagem.

Na foto acima, você pode ver o braço do obturador em posição (sem o filme solar, que eu ainda não havia gravado). O braço do obturador é feito de HDPE de 1/4 e é conectado usando um dos hubs padrão que vieram com o servo.

Na outra foto, você pode ver a parte de trás da placa de montagem e como o servo e a câmera estão fixados. Depois que essa foto foi tirada, redesenhei a peça branca que você vê para aproximar a lente da câmera do braço do obturador e reimprimai em verde. É por isso que em outras fotos a parte branca não está presente.

Palavra de cautela

O módulo da câmera tem um pequeno cabo de fita muito pequeno na placa que conecta a câmera real ao resto dos componentes eletrônicos. Este pequeno conector tem uma tendência irritante de sair de seu soquete com freqüência. Quando sai, raspistill relata que a câmera não está conectada. Passei muito tempo recolocando inutilmente as duas extremidades do cabo plano maior antes de perceber onde estava o verdadeiro problema.

Depois que percebi que o problema era o pequeno cabo na placa, tentei segurá-lo com fita adesiva Kapton, mas não funcionou e finalmente recorri a um pouco de cola quente. Até agora, a cola o manteve no lugar.

Etapa 8: Seleção do site

Os maiores telescópios do mundo estão localizados no topo de montanhas no Peru, Havaí ou em algum outro local relativamente remoto. Para este projeto, minha lista completa de sites candidatos incluiu:

• Uma janela voltada para o leste na minha casa
• Um parapeito de janela voltado para oeste na minha casa
• Um parapeito de janela voltado para o sul na minha casa

Notavelmente ausentes desta lista estão o Peru e o Havaí. Então, dadas essas escolhas, o que eu deveria fazer?

A janela voltada para o sul tem uma extensão aberta sem prédios à vista, mas devido a um problema com a vedação contra intempéries, não é opticamente clara. A janela voltada para o oeste inclui uma excelente vista de Pikes Peak e teria sido uma vista fantástica, mas está localizada na sala da família e minha esposa pode não gostar que meu projeto de ciências seja exibido com tanto destaque por um ano inteiro. Isso me deixou com a vista voltada para o leste, que dá para uma grande torre de antena e a parte de trás do Safeway local. Não era muito bonita, mas era a melhor escolha.

Na verdade, o mais importante é encontrar um lugar onde o projeto não seja empurrado, movido ou perturbado de outra forma. Contanto que você consiga enquadrar o sol por uma hora e dois por dia, qualquer direção funcionará.

Etapa 9: Tirar fotos

Céu Nublado

Acontece que eu moro em um lugar que recebe muito sol a cada ano, o que é bom, já que as nuvens realmente estragam as fotos. Se estiver um pouco nublado, o sol sai como um disco verde-claro em vez do disco laranja bem definido que eu tenho em um dia sem nuvens. Se estiver muito nublado, nada aparecerá na imagem.

Comecei a escrever um software de processamento de imagem para ajudar a aliviar esses problemas, mas esse código ainda não está pronto. Até então, só preciso contornar os caprichos do clima.

Faça backup de seus dados

Com a câmera que estou usando e o número de fotos que tiro, eu gerei cerca de 70 MB de imagens por dia. Mesmo que o cartão micro-SD do Pi fosse grande o suficiente para armazenar dados de um ano, eu não confiaria nele. A cada poucos dias, eu uso o scp para copiar os dados recentes para minha área de trabalho. Lá, eu vejo as imagens para ter certeza de que estão bem e que nada de estranho aconteceu. Em seguida, copio todos esses arquivos para o meu NAS para que tenha duas cópias independentes dos dados. Depois disso, volto ao Pi e excluo os arquivos originais.

Etapa 10: Analemma (ou … uma Figura Oito Astronomicamente Grande)

Além de determinar a inclinação axial e a latitude, tirar fotos no mesmo horário todos os dias também pode nos fornecer uma visão muito legal da trajetória do Sol ao longo de um ano.

Se você já viu o filme Cast Away com Tom Hanks, você deve se lembrar da cena na caverna onde ele marcou o caminho do sol ao longo do tempo e formou um oito. Quando vi essa cena pela primeira vez, queria aprender mais sobre esse fenômeno e, meros dezessete anos depois, finalmente estou conseguindo fazer exatamente isso!

Essa forma é chamada de analema e é o resultado da inclinação do eixo da Terra e do fato de a órbita da Terra ser elíptica e não um círculo perfeito. Capturar um filme é tão simples quanto configurar uma câmera e tirar uma foto ao mesmo tempo todos os dias. Embora existam muitas fotos muito boas de analema na web, uma das coisas que faremos neste projeto é criar a nossa própria. Para saber mais sobre analema e como alguém pode ser a peça central de um almanaque bastante útil, consulte este artigo.

Antes do advento da fotografia digital, capturar uma imagem de um analema exigia habilidades fotográficas reais, já que você teria que fazer várias exposições cuidadosamente no mesmo pedaço de filme. Obviamente, a câmera Raspberry Pi não tem filme, então, em vez de habilidade e paciência, vamos simplesmente combinar várias imagens digitais para obter o mesmo efeito.

Etapa 11: o que vem a seguir?

Agora que o pequeno robô-câmera está instalado e tirando fotos fielmente todos os dias, o que vem a seguir? Acontece que ainda há algumas coisas a fazer. Observe que a maioria deles envolverá escrever python e usar OpenCV. Eu gosto de python e estou querendo uma desculpa para aprender OpenCV, então isso é uma vitória para mim!

1. Detectar dias nublados automaticamente. Se estiver muito nublado, o filme solar e a velocidade curta do obturador tornam a imagem opaca. Quero detectar automaticamente essa condição e, em seguida, aumentar a velocidade do obturador ou tirar o filtro solar do caminho.
2. Use o processamento de imagem para localizar o sol, mesmo em fotos nubladas. Suspeito que seja possível encontrar o ponto central do sol mesmo se houver nuvens no caminho.
3. Sobreponha os discos solares em uma imagem de fundo clara para formar uma trilha do caminho do sol durante o dia
4. Crie um analemaA mesma técnica básica como a última etapa, mas usando fotos tiradas no mesmo horário todos os dias
5. Meça a resolução angular da câmera (graus / pixel). Vou precisar disso para meus cálculos posteriores

Há mais do que isso, mas isso me manterá ocupado por um tempo.

Obrigado por ficar comigo até o fim. Espero que tenham gostado desta descrição do projeto e que isso o motive a enfrentar o seu próximo projeto!