Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Из песочницы Сквозь тернии к звездам делаем устройство для наведения лазерной указки на любой небесный объект

Привет, Хабр!

Решил показать свою небольшую самоделку, которая работает примерно так:



Если КДПВ сделала свое дело тогда добро пожаловать под кат :)

Небольшой спойлер
Я старался писать так, чтобы было максимально понятно всем

Аппаратная часть


Итак, для создания минимально работающего прототипа нам понадобятся:

  1. Кусок доски или чего угодно, на чем можно закрепить все компоненты
  2. Почти любой микроконтроллер. Я взял ардуино уно как самый простой вариант
  3. GPS модуль (с него мы берем дату, время и координаты). Теоретически можно вместо него взять модуль часов реального времени, но тогда ваши координаты вам придется вводить вручную и из коробки устройство не заработает, но зато время холодного старта сильно сократится
  4. Два сервопривода, или еще лучше два шаговых двигателя
  5. Лазерная указка
  6. Разная мелочь: паяльник, термоклей, макетная плата, провода, кнопка, конденсатор, ну и прямые руки.

По сборке особых хитростей нет: просто закрепить все компоненты на основании термоклеем.
Только надо постараться чтобы оси сервоприводов и лазера были максимально перпендикулярны друг другу, это уменьшит погрешность наведения.

Подключение


Тут тоже ничего сложного:

  • GPS подключается по uart (понадобится только Rx, так как нам ничего не нужно отправлять на модуль
  • сервоприводы в пины 10 (ось азимута) и 11 (ось высоты)
  • кнопка во 2 пин
  • питание на все модули
  • опционально конденсатор по питанию

Фотографии моей реализации(19Мб)






Программная часть


Переходим к самому интересному.

Весь код можно условно разделить на три части:

  1. Работа с GPS, кнопкой и сервами
  2. Работа с астрономией
  3. Главный цикл программы

Заметки по коду:

Для жпс использована библиотека tinygps++
Для кнопки GyverButton
Когда жпс понимает где он, на ардуине загорается светодиод на 13м пине
Для примера в коде есть массив с координатами разных ярких звёзд

Исходный код
#include <math.h>#include <ServoSmooth.h>#include <GyverButton.h>#include "TinyGPS++.h"TinyGPSPlus gps;ServoSmooth yaw;ServoSmooth pitch;GButton but(2);int yr = 0, mo = 0, d = 0, h = 0, m = 0, s = 0;float phi = 0, lambda = 0;float az = 0, height = 0;int counter = 0;float alpha = 0.0, delta = 0.0;float sunalpha = 0, sundelta = 0;float Coordinates[10][2] ={  {0, 0},  {sunalpha * 360 / 2 / PI, sundelta * 360 / 2 / PI}, //sun  {297.9458, 8.9233}, //altair  {279.4083, 38.8038}, //vega  {310.5333, 45.3538}, //deneb  {79.55, 46.0163},//capella  {89.0708, 7.4092}, //betelgeuse  {152.3625, 11.8672}, //regul  {51.4458, 49.9319} //mirfak};int Days(int d, int m, int y)//тут считаем, сколько дней прошло с момента весеннего равноденствия (21.03){  int days = 0;  int yearNotLeap[12] = { 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31 };  int yearIsLeap[12] = { 31, 29, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31 };  if (((y % 4 == 0) && (y % 100 != 0)) || (y % 400 == 0))  {    for (int i = 0; i < m - 1; i++)    {      days += yearIsLeap[i];    }  }  else  {    for (int i = 0; i < m - 1; i++)    {      days += yearNotLeap[i];    }  }  if (m == 1) {    return d - 81;  }  else    return days + d - 81;}void GpsGetData(){  while (Serial.available() > 0)    gps.encode(Serial.read());  if (gps.location.isUpdated())  {    phi = gps.location.lat(); //Широта в градусах (double)    lambda = gps.location.lng(); // Долгота в градусах (double)    yr = gps.date.year(); // Год (2000+) (u16)    mo = gps.date.month(); // Месяц (1-12) (u8)    d = gps.date.day(); // День (1-31) (u8)    h = gps.time.hour(); // Час (0-23) (u8)    m = gps.time.minute(); // Минуты (0-59) (u8)    s = gps.time.second(); // Секунды (0-59) (u8)  }}void CalculateParams(){  float _time = (h + (float)m / 60 + (float)s / 3600) * 360.0 / 24.0;//вычисляем время в часах  float sunlambda = (float)Days(d, mo, yr) * 360 / 365; // вычисляем эклиптическую долготы солнца в градусах  sundelta = asin(0.398749 * sin(sunlambda * 2 * PI / 360));//вычисляем склонение солнца в радианах  sunalpha = asin(tan(sundelta) / 0.434812); // вычисляем прямое восхождение солнца в радианах  float tS = _time + lambda - 180 + sunalpha * 360 / (2 * PI) - alpha; //вычисляем часовой угол звезды в градусах  height = 360 / 2 / PI * asin(sin(phi * 2 * PI / 360) * sin(delta * 2 * PI / 360) + cos(phi * 2 * PI / 360) * cos(delta * 2 * PI / 360) * cos(tS * 2 * PI / 360));//вычисляем высоту  az = 360 / 2 / PI * asin(sin(tS * 2 * PI / 360) * cos(delta * 2 * PI / 360) / cos(height * 2 * PI / 360)); //вычисляем астрономический азимут (с юга по часовой)  if (tS > 90 || tS < -90)  {    az = 180 - az;  } // if (az > 180 && az < 270)  //  az = az - 360;}void setup() {  Serial.begin(9600);  yaw.attach(10, 90);  pitch.attach(11, 180);  yaw.setSpeed(20);  yaw.setAccel(0.1);  pitch.setSpeed(20);  pitch.setAccel(0.1);  yaw.setAutoDetach(false);  pitch.setAutoDetach(false);  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);}void loop() {  but.tick();  yaw.tick();  pitch.tick();  if (but.isSingle())  {    counter += 1;    if (counter == 9)      counter = 0;  }  alpha = Coordinates[counter][0];  delta = Coordinates[counter][1];  GpsGetData();  CalculateParams();  digitalWrite(LED_BUILTIN, gps.location.isValid());  if (az > 90 && az < 180)  {    yaw.setTargetDeg(270 - az);    pitch.setTargetDeg(height);  }  if (az < -90 && az > -180)  {    yaw.setTargetDeg(-90 - az);    pitch.setTargetDeg(height);  }  if (az < 90 && az > -90)  {    yaw.setTargetDeg(90.0 - az);    pitch.setTargetDeg(180 - height);  }}


Я не буду подробно разбирать каждую строчку, лишь остановлюсь на интересных моментах.

Урок астрономии


Про астротермины и еще кое-что
Если вы не знаете значение какого-либо термина, его можно узнать в википедии или спросить в комментариях буду рад ответить.

Также, я не нашел в интернете алгоритма перевода координат из одной системы в другую.

а момент здесь один функция CalculateParams()
Что должна делать такая функция: принять на вход координаты звезды в экваториальной системе (прямое восхождение и склонение), время и координаты наблюдателя и выдать высоту и азимут объекта, т.е. по сути перевести координаты звезды из экваториальной системы (в которой звезды неподвижны) в горизонтальную (в которой звезды перемещаются в течение суток).

Реализовано это, используя формулы сферической тригонометрии, а также сферической астрономии в вакууме.

Алгоритм таков:

  1. вычислить эклиптическую долготу солнца
  2. вычислить склонение солнца
  3. вычислить прямое восхождение солнца
  4. вычислить часовой угол звезды
  5. вычислить высоту и азимут

Вот как это реализовано:

void CalculateParams(){  float _time = (h + (float)m / 60 + (float)s / 3600) * 360.0 / 24.0;//вычисляем время в часах  float sunlambda = (float)Days(d, mo, yr) * 360 / 365; // вычисляем эклиптическую долготы солнца в градусах  sundelta = asin(0.398749 * sin(sunlambda * 2 * PI / 360));//вычисляем склонение солнца в радианах  sunalpha = asin(tan(sundelta) / 0.434812); // вычисляем прямое восхождение солнца в радианах  float tS = _time + lambda - 180 + sunalpha * 360 / (2 * PI) - alpha; //вычисляем часовой угол звезды в градусах  height = 360 / 2 / PI * asin(sin(phi * 2 * PI / 360) * sin(delta * 2 * PI / 360) + cos(phi * 2 * PI / 360) * cos(delta * 2 * PI / 360) * cos(tS * 2 * PI / 360));//вычисляем высоту  az = 360 / 2 / PI * asin(sin(tS * 2 * PI / 360) * cos(delta * 2 * PI / 360) / cos(height * 2 * PI / 360)); //вычисляем астрономический азимут (с юга по часовой)  if (tS > 90 || tS < -90)  {    az = 180 - az;  }}

Оценка погрешности


Оценим вклад каждого фактора в погрешность (отсортировано по вкладу в неточность)

  1. Кривизна рук у меня это самый главный фактор
  2. Неточное положение горизонта
  3. неточное положение нулевого азимута (напомню, что астрономы считают азимут с юга по часовой стрелке)
  4. Тот факт, что сервы не могут поворачиваться на дробный угол
  5. неточности в алгоритме перевода (положение солнца определяется не очень точно: например, эклиптическая долгота солнца считается гораздо сложнее (в коде упрощённый вариант); день весеннего равноденствия не всегда происходит в одно и тоже время;
    также, я не учитываю уравнение времени) но погрешность из-за этого натекает небольшая.

Что еще можно сделать (todo)


  1. Сменить сервы на шаговые двигатели с их микрошагами;
  2. Немного усовершенствовать алгоритм
  3. Есть метод полного устранения погрешности из-за кривого горизонта и азимута:
    существуют сервисы по решению астрофото: им загружаешь фотографию со звездами, а они вычисляют координаты центра кадра.

    Что мы делаем:

    1. прикрепляем к большому телескопу маленький телескопчик с камерой
    2. поворачиваем шаговики на 3 случайных точки на небе, делаем фотографии
    3. отправляем их на один из сервисов, используя его API и получаем координаты точек
    4. сложными программными методами избавляемся от погрешности установки основного телескопа
    5. PROFIT!!!

    На этом все, спасибо за внимание!

    С радостью отвечу на ваши вопросы в комментариях.
Источник: habr.com
К списку статей
Опубликовано: 13.06.2020 14:36:10
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Diy или сделай сам

Астрономия

Разработка под arduino

Diy

Теги никто не читает

Категории

Последние комментарии

© 2006-2020, personeltest.ru