Observatoire solaire : 11 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Quelle est l'inclinaison de l'axe de la Terre ? A quelle latitude suis-je ?

Si vous voulez la réponse rapidement, vous vous tournez soit vers Google, soit vers une application GPS sur votre smartphone. Mais si vous avez un Raspberry Pi, un module caméra et un an environ pour faire quelques observations, vous pouvez déterminer vous-même les réponses à ces questions. En installant une caméra avec un filtre solaire dans un endroit fixe et en utilisant le Pi pour prendre des photos à la même heure chaque jour, vous pouvez collecter de nombreuses données sur la trajectoire du soleil dans le ciel et, par extension, la trajectoire de la Terre autour le soleil. Dans ce Instructable, je vous montre comment j'ai fait mon propre observatoire solaire pour moins de 100 $.

Avant d'aller beaucoup plus loin, je dois souligner que je n'en suis qu'à deux mois de mon expérience d'un an et que je ne pourrai donc pas inclure les résultats finaux. Cependant, je peux partager mon expérience dans la construction de ce projet et, espérons-le, vous donner une idée de la façon de construire le vôtre.

Bien que n'étant pas du tout difficile, ce projet offre l'opportunité d'exercer plusieurs compétences différentes. Au minimum, vous devez pouvoir connecter un Raspberry Pi à une caméra et à un servo et vous devrez être capable de développer un certain niveau de logiciel pour extraire des données des photos que vous prenez. J'ai également utilisé des outils de menuiserie de base et une imprimante 3D mais ceux-ci ne sont pas essentiels à ce projet.

Je décrirai également l'effort de collecte de données à long terme que j'ai entrepris et comment j'utiliserai OpenCV pour transformer des centaines d'images en données numériques pouvant être analysées à l'aide d'une feuille de calcul ou du langage de programmation de votre choix. En prime, nous allons également puiser dans notre côté artistique et regarder quelques images visuelles intéressantes.

Étape 1: Tldr; Instructions succinctes

Ce Instructable est un peu long, donc pour commencer, voici le strict minimum, aucun détail supplémentaire fourni des instructions.

1. Obtenez un Raspberry Pi, une caméra, un servo, un relais, un film solaire, des verrues murales et du matériel assorti
2. Branchez tout ce matériel
3. Configurez le Pi et écrivez des scripts simples pour prendre des photos et enregistrer les résultats
4. Construisez une boîte de projet et montez tout ce matériel dedans
5. Trouvez un endroit pour placer le projet où il peut voir le soleil et il ne sera pas heurté ou bousculé
6. Met ça ici
7. Commencez à prendre des photos
8. Tous les quelques jours, déplacez les images vers un autre ordinateur afin de ne pas remplir votre carte SD
9. Commencez à apprendre OpenCV pour pouvoir extraire des données de vos images
10. Attends un an

Voilà le projet en quelques mots. Continuez maintenant à lire pour plus de détails sur ces étapes.

Étape 2: Contexte

Les humains observent le soleil, la lune et les étoiles depuis aussi longtemps que nous existons et ce projet n'accomplit rien de ce que nos ancêtres n'ont pas fait il y a des milliers d'années. Mais au lieu de placer un bâton dans le sol et d'utiliser des pierres pour marquer l'emplacement des ombres à des moments clés, nous utiliserons un Raspberry Pi et une caméra et ferons tout cela depuis l'intérieur du confort de nos maisons. Votre projet ne sera pas un site touristique dans mille ans, mais du côté positif, vous n'aurez pas non plus à lutter pour mettre en place de gigantesques rochers.

L'idée générale de ce projet est de pointer une caméra vers un endroit fixe dans le ciel et de prendre des photos à la même heure chaque jour. Si vous avez un filtre adapté sur votre appareil photo et la bonne vitesse d'obturation, vous aurez des images nettes et bien définies du disque du soleil. En utilisant ces images, vous pouvez mettre un bâton virtuel dans le sol et apprendre pas mal de choses intéressantes.

Pour garder la taille de ce Instructable gérable, tout ce que je vais couvrir est de savoir comment déterminer l'inclinaison de l'axe de la Terre et la latitude où les photos sont prises. Si la section des commentaires indique suffisamment d'intérêt, je peux parler de certaines des autres choses que vous pouvez apprendre de votre observatoire solaire dans un article de suivi.

Inclinaison axiale L'angle entre le soleil le jour où il est le plus au nord et le jour où il est le plus au sud est le même que l'inclinaison de l'axe de la Terre. Vous avez peut-être appris à l'école qu'il s'agit de 23,5 degrés, mais maintenant vous le saurez grâce à vos propres observations et pas simplement à partir d'un manuel.

LatitudeMaintenant que nous connaissons l'inclinaison de l'axe de la Terre, soustrayez-la de l'élévation de la trajectoire du soleil le jour le plus long de l'année pour connaître la latitude de votre position actuelle.

Pourquoi s'embêter ? Évidemment, vous pourriez trouver ces valeurs beaucoup plus précisément et rapidement, mais si vous êtes le type de personne qui lit Instructables, vous savez qu'il y a beaucoup de satisfaction à le faire vous-même. Apprendre des faits sur le monde qui vous entoure en utilisant rien de plus que quelques observations simples et directes et des mathématiques simples est tout l'intérêt de ce projet.

Étape 3: Composants requis

Bien que vous puissiez réaliser tout ce projet avec un appareil photo suffisamment cher et sophistiqué, je n'en ai pas. Un objectif pour ce projet était d'utiliser ce que j'avais déjà sous la main de projets précédents. Cela comprenait un Raspberry Pi, un module de caméra et la plupart des autres éléments répertoriés ci-dessous, bien que j'ai dû aller sur Amazon pour quelques-uns d'entre eux. Le coût total si vous devez tout acheter sera d'environ 100 USD.

• Raspberry Pi (n'importe quel modèle fera l'affaire)
• Module caméra Raspberry Pi
• Câble plat plus long pour la caméra (en option)
• Clé sans fil
• Servo standard
• relais 5V
• Concentrateur USB alimenté
• Multiprise et rallonge
• Feuille de film solaire
• Ferraille de bois, plastique, HDPE, etc.
• Carton de projet en carton ondulé

J'ai également utilisé mon imprimante 3D Monoprice mais c'était une commodité et non une nécessité. Un peu de créativité de votre part vous permettra de trouver un moyen approprié de vous en passer.

Étape 4: Configuration du Raspberry Pi

Installer

Je ne vais pas entrer dans les détails ici et je suppose que vous êtes à l'aise avec l'installation d'un système d'exploitation sur le Pi et sa configuration. Sinon, il existe de nombreuses ressources sur le Web pour vous aider à démarrer.

Voici les points les plus importants auxquels faire attention lors de la configuration.

• Assurez-vous que votre connexion WiFi démarre automatiquement lorsque le Pi redémarre
• Activer sshLe projet sera probablement installé dans un endroit à l'écart afin que vous ne l'ayez pas connecté à un moniteur et à un clavier. Vous utiliserez un peu ssh & scp pour le configurer et copier des images sur un autre ordinateur.
• Assurez-vous d'activer la connexion automatique via ssh afin de ne pas avoir à saisir votre mot de passe manuellement à chaque fois
• Activer le module caméraBeaucoup de gens branchent la caméra mais oublient de l'activer
• Désactiver le mode GUIVous fonctionnerez sans tête, il n'est donc pas nécessaire de dépenser des ressources système pour exécuter un serveur X
• Installez le package gpio en utilisant apt-get ou similaire
• Réglez le fuseau horaire sur UTC Vous voulez que vos photos soient à la même heure chaque jour et ne voulez pas être perturbé par l'heure d'été. Le plus simple est d'utiliser l'UTC.

Ce serait maintenant le bon moment pour expérimenter avec le module de caméra. Utilisez le programme 'raspistill' pour prendre quelques photos. Vous devriez également expérimenter avec les options de la ligne de commande pour voir comment la vitesse d'obturation est contrôlée.

Interfaces matérielles

Le module de caméra a sa propre interface de câble plat dédiée, mais nous utilisons les broches GPIO pour contrôler le relais et le servo. Notez qu'il existe deux schémas de numérotation différents d'usage courant et qu'il est facile de se confondre. Je préfère utiliser l'option '-g' à la commande gpio pour pouvoir utiliser les numéros de broche officiels.

Votre sélection de broches peut varier si vous avez un modèle Pi différent de celui que j'utilise. Consultez les schémas de brochage de votre modèle spécifique pour référence.

• Broche 23 - Sortie numérique vers le relais Ce signal active le relais, qui alimente le servo
• Broche 18 - PWM vers le servoLa position du servo est contrôlée par un signal de modulation de largeur d'impulsion
• Terre - N'importe quelle broche de terre suffira

Voir les scripts shell ci-joints pour contrôler ces broches.

Remarque: La boîte de dialogue de téléchargement sur ce site s'est opposée à mes tentatives de téléchargement de fichiers se terminant par «.sh ». Je les ai donc renommés avec une extension '.notsh' et le téléchargement a bien fonctionné. Vous voudrez probablement les renommer en '.sh' avant de les utiliser.

crontab

Comme je veux prendre des photos toutes les cinq minutes sur une période d'environ 2,5 heures, j'ai utilisé crontab, qui est un utilitaire système pour exécuter des commandes planifiées même lorsque vous n'êtes pas connecté. La syntaxe pour cela est un peu maladroite alors utilisez le moteur de recherche de votre choix pour obtenir plus de détails. Les lignes pertinentes de mon crontab sont jointes.

Ces entrées consistent à a) prendre une photo toutes les cinq minutes avec le filtre solaire en place et b) attendre quelques heures et prendre quelques photos sans filtre en place.

Étape 5: Boîte de projet

Je vais vraiment lésiner sur les instructions dans cette section et vous laisser à votre propre imagination. La raison en est que chaque installation sera différente et dépendra de l'endroit où vous installez le projet et des types de matériaux avec lesquels vous travaillez.

L'aspect le plus important de la boîte de projet est qu'elle doit être placée de manière à ne pas se déplacer facilement. L'appareil photo ne doit pas bouger une fois que vous commencez à prendre des photos. Sinon, vous devrez écrire un logiciel pour effectuer l'enregistrement des images et aligner numériquement toutes les images. Mieux vaut avoir une plate-forme fixe pour ne pas avoir à faire face à ce problème.

Pour ma boîte de projet, j'ai utilisé du MDF 1/2", un petit morceau de contreplaqué 1/4", un cadre imprimé en 3D pour maintenir la caméra à l'angle souhaité et du carton de projet blanc ondulé. Cette dernière pièce est placée devant le cadre imprimé en 3D pour le protéger des rayons directs du soleil et éviter les problèmes potentiels de déformation.

J'ai laissé l'arrière et le haut de la boîte ouverts au cas où j'aurais besoin d'accéder à l'électronique, mais cela ne s'est pas encore produit. Cela fonctionne depuis sept semaines maintenant sans avoir besoin de corrections ou d'ajustements de ma part.

Filtre mobile

La seule partie de la boîte à projet qui mérite quelques explications est le servo avec le bras mobile.

Le module de caméra Raspberry Pi standard ne fonctionne pas aussi bien si vous le dirigez simplement vers le soleil et prenez une photo. Croyez-moi là-dessus… J'ai essayé.

Pour obtenir une image utilisable du soleil, vous devez placer un filtre solaire devant l'objectif. Il existe probablement des filtres préfabriqués coûteux que vous pouvez acheter pour cela, mais j'ai fabriqué le mien en utilisant un petit morceau de film solaire et un morceau de HDPE 1/4 avec un trou circulaire découpé. Le film solaire peut être acheté auprès de Amazon pour environ 12 $. Rétrospectivement, j'aurais pu commander une pièce beaucoup plus petite et économiser un peu d'argent. Si vous avez de vieilles lunettes à éclipse solaire inutilisées, vous pourrez peut-être couper l'une des lentilles et fabriquer un filtre approprié.

Faire bouger le filtre

Alors que la plupart des photos que vous prenez seront avec le filtre en place, vous souhaitez également obtenir des photos à d'autres moments de la journée lorsque le soleil est hors cadre. Ce sont ce que vous utiliserez comme images d'arrière-plan pour superposer vos images solaires filtrées. Vous pouvez le construire de manière à déplacer manuellement le filtre et à prendre ces images d'arrière-plan, mais j'avais un servo supplémentaire et je voulais automatiser cette étape.

A quoi sert le relais ?

Entre la façon dont le Pi génère des signaux PWM et le servo bas de gamme que j'ai utilisé, il y avait des moments où j'allumais tout et le servo restait assis là et "bavardait". C'est-à-dire qu'il se déplacerait d'avant en arrière par très petits pas en essayant de trouver la position exacte que le Pi commandait. Cela a fait que le servo est devenu très chaud et a fait un bruit gênant. J'ai donc décidé d'utiliser un relais pour alimenter le servo uniquement pendant les deux fois par jour où je souhaite prendre des photos non filtrées. Cela nécessitait l'utilisation d'une autre broche de sortie numérique sur le Pi pour fournir le signal de commande au relais.

Étape 6: Fournir de l'énergie

Il y a quatre éléments qui ont besoin d'alimentation dans ce projet:

1. Tarte aux framboises
2. Clé Wi-Fi (si vous utilisez un modèle Pi plus récent avec Wi-Fi intégré, cela ne sera pas nécessaire)
3. Relais 5V
4. Servomoteur

Important: n'essayez pas d'alimenter le servo directement à partir de la broche 5V du Raspberry Pi. Le servo consomme plus de courant que le Pi ne peut en fournir et vous ferez des dommages irréparables à la carte. Utilisez plutôt une source d'alimentation séparée pour alimenter le servo et le relais.

Ce que j'ai fait, c'est d'utiliser une verrue murale 5V pour alimenter le Pi et une autre pour alimenter un ancien concentrateur USB. Le concentrateur est utilisé pour brancher le dongle Wi-Fi et pour alimenter le relais et le servo. Le servo et le relais n'ont pas de prises USB, j'ai donc pris un vieux câble USB et coupé le connecteur de l'extrémité de l'appareil. Ensuite, j'ai dénudé les fils 5V et de masse et les ai connectés au relais et au servo. Cela a fourni une source d'alimentation à ces appareils sans risquer d'endommager le Pi.

Remarque: Le Pi et les composants externes ne sont pas complètement indépendants. Parce que vous avez des signaux de contrôle provenant du Pi vers le relais et le servo, vous devez également avoir une ligne de masse allant de ces éléments au Pi. Il existe également une connexion USB entre le hub et le Pi pour que le wi-fi puisse fonctionner. Un ingénieur électricien frémirait probablement devant le potentiel de boucles de masse et d'autres méfaits électriques, mais tout fonctionne, je ne vais donc pas m'inquiéter du manque d'excellence en ingénierie.:)

Étape 7: Tout assembler

Une fois que vous avez connecté toutes les pièces, l'étape suivante consiste à monter le servo, le bras de l'obturateur et la caméra sur la plaque de montage.

Sur une photo ci-dessus, vous pouvez voir le bras de l'obturateur en position (moins le film solaire, que je n'avais pas encore scotché). Le bras de l'obturateur est fabriqué en HDPE 1/4 et est fixé à l'aide de l'un des moyeux standard fournis avec le servo.

Dans l'autre image, vous pouvez voir l'arrière de la plaque de montage et comment le servo et la caméra sont fixés. Une fois cette photo prise, j'ai redessiné la pièce blanche que vous voyez pour rapprocher l'objectif de l'appareil photo du bras de l'obturateur, puis je l'ai réimprimée en vert. C'est pourquoi sur d'autres photos la partie blanche n'est pas présente.

Mot de prudence

Le module de caméra a un tout petit câble ruban sur la carte qui relie la caméra réelle au reste de l'électronique. Ce petit connecteur a une fâcheuse tendance à sortir fréquemment de sa prise. Lorsqu'il sort, raspistill signale que la caméra n'est pas connectée. J'ai passé beaucoup de temps à réinstaller en vain les deux extrémités du plus gros câble plat avant de réaliser où se trouvait le vrai problème.

Après avoir réalisé que le problème était le petit câble sur la carte, j'ai essayé de le maintenir avec du ruban Kapton mais cela n'a pas fonctionné et j'ai finalement eu recours à un peu de colle chaude. Jusqu'à présent, la colle l'a tenu en place.

Étape 8: Sélection du site

Les grands télescopes du monde sont situés au sommet des montagnes au Pérou, à Hawaï ou dans un autre endroit relativement éloigné. Pour ce projet, ma liste complète de sites candidats comprenait:

• Un rebord de fenêtre orienté à l'est dans ma maison
• Un rebord de fenêtre orienté à l'ouest dans ma maison
• Un rebord de fenêtre plein sud dans ma maison

Le Pérou et Hawaï sont notamment absents de cette liste. Alors étant donné ces choix, que devais-je faire ?

La fenêtre orientée au sud a une étendue grande ouverte sans bâtiments en vue, mais en raison d'un problème avec le joint météo, elle n'est pas optiquement claire. La fenêtre orientée à l'ouest offre une vue magnifique sur Pikes Peak et aurait donné une vue magnifique, mais elle est située dans la salle familiale et ma femme n'aimera peut-être pas que mon projet scientifique soit affiché si bien en évidence pendant une année entière. Cela m'a laissé avec la vue orientée vers l'est qui donne sur une grande tour d'antenne et l'arrière du Safeway local. Pas très joli mais c'était le meilleur choix.

Vraiment, le plus important est de trouver un endroit où le projet ne sera pas bousculé, déplacé ou autrement perturbé. Tant que vous pouvez obtenir le soleil dans le cadre pendant une heure deux chaque jour, n'importe quelle direction fonctionnera.

Étape 9: Prendre des photos

Ciel nuageux

Il se trouve que j'habite dans un endroit très ensoleillé chaque année, ce qui est bien car les nuages font vraiment des ravages avec les images. S'il fait légèrement nuageux, le soleil apparaît sous la forme d'un disque vert pâle plutôt que du disque orange bien défini que j'obtiens par une journée sans nuages. Si le temps est assez nuageux, rien n'apparaît sur l'image.

J'ai commencé à écrire des logiciels de traitement d'images pour aider à résoudre ces problèmes, mais ce code n'est pas encore prêt. D'ici là, je dois juste contourner les caprices de la météo.

Sauvegardez vos données

Avec l'appareil photo que j'utilise et le nombre de photos que je prends, je génère environ 70 Mo d'images chaque jour. Même si la carte micro-SD du Pi était assez grande pour contenir un an de données, je ne lui ferais pas confiance. Tous les quelques jours, j'utilise scp pour copier les données récentes sur mon bureau. Là, je regarde les images pour m'assurer qu'elles vont bien et qu'il ne s'est rien passé de bizarre. Ensuite, je copie tous ces fichiers sur mon NAS afin d'avoir deux copies indépendantes des données. Après cela, je retourne au Pi et supprime les fichiers d'origine.

Étape 10: Analemme (ou… un huit astronomiquement grand)

En plus de déterminer l'inclinaison axiale et la latitude, prendre des photos à la même heure chaque jour peut également nous fournir une vue très intéressante de la trajectoire du Soleil au cours d'une année.

Si vous avez déjà vu le film Cast Away avec Tom Hanks, vous vous souvenez peut-être de la scène dans la grotte où il a marqué la trajectoire du soleil au fil du temps et a fait un huit. Quand j'ai vu cette scène pour la première fois, j'ai voulu en savoir plus sur ce phénomène et à peine dix-sept ans plus tard, je m'y suis enfin mis !

Cette forme s'appelle un analemme et elle est le résultat de l'inclinaison de l'axe de la Terre et du fait que l'orbite de la Terre est elliptique et non un cercle parfait. Capturer un film est aussi simple que d'installer un appareil photo et de prendre une photo à la même heure tous les jours. Bien qu'il y ait beaucoup de très bonnes images d'analemme sur le Web, l'une des choses que nous ferons dans ce projet sera de créer les nôtres. Pour en savoir plus sur l'analemme et sur la façon dont on peut être la pièce maîtresse d'un almanach assez utile, consultez cet article.

Avant l'avènement de la photographie numérique, capturer une image d'un analemme nécessitait de réelles compétences photographiques, car vous deviez prendre soigneusement plusieurs expositions sur le même morceau de film. Évidemment, la caméra Raspberry Pi n'a pas de film, donc au lieu d'habileté et de patience, nous allons simplement combiner plusieurs images numériques pour obtenir le même effet.

Étape 11: Quelle est la prochaine étape ?

Maintenant que le petit robot-caméra est en place et prend fidèlement des photos chaque jour, et ensuite ? Il s'avère qu'il reste encore pas mal de choses à faire. Notez que la plupart d'entre eux impliqueront l'écriture de python et l'utilisation d'OpenCV. J'aime python et je voulais une excuse pour apprendre OpenCV, c'est donc une solution gagnant-gagnant pour moi !

1. Détectez automatiquement les jours nuageux S'il fait trop nuageux, le film solaire et la vitesse d'obturation courte donnent une image opaque. Je souhaite détecter automatiquement cette condition, puis augmenter la vitesse d'obturation ou écarter le filtre solaire.
2. Utilisez le traitement d'image pour trouver le soleil même dans les images nuageuses Je pense qu'il est possible de trouver le point central du soleil même si des nuages sont sur le chemin.
3. Superposez des disques solaires sur une image d'arrière-plan claire pour tracer la trajectoire du soleil pendant la journée
4. Créer une analemmeMême technique de base que la dernière étape mais en utilisant des photos prises à la même heure chaque jour
5. Mesurez la résolution angulaire de la caméra (degrés/pixel) J'en aurai besoin pour mes calculs ultérieurs

Il y a plus que ça mais ça va m'occuper un petit moment.

Merci d'être resté avec moi jusqu'au bout. J'espère que cette description de projet vous a plu et qu'elle vous motivera à vous attaquer à votre prochain projet !