Raspberry Pi 在天文上的應用

用 Raspberry Pi 設置一個輕便和便宜的 auto guider
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Raspberry Pi 在天文上的應用

文章 sampson » 週五 24 2月, 2017 22:27

Raspberry Pi:
“low-cost, high-performance computers that people use to learn, solve problems and have fun.”
https://www.raspberrypi.org/about/
https://www.raspberrypi.org/help/faqs/

Raspbian is the Foundation’s official supported Operating System.
Third party Operating System are also available.
https://www.raspberrypi.org/downloads/

Raspberry pi 是一部微型電腦, 與一般桌上電腦的最大分別是其採用 ARM 架構的 cpu, 而不是 x86 。Raspberry pi 所用的 OS 以 Linux 為主, 其中一個原因是 Linux 是免費和開放的, 加上 Linux 於 ARM 架構上有效能和(Open Source Software OSS)軟件數量上的優勢, 因此 Linux based OS 成為主流 Raspberry pi 的 OS, 亦配合 Raspberry pi 鼓勵學習 programming 創作的理念。 除了官方 Raspbian 外, 還有其他建基於 Linux 的 OS, 這些 OS 普遍以 Debian Linux Distribution 作為基礎並針對各種特別的需要而建立專案形式的系統, 如專供影音的 OS、Hi-end audiophile 的 OS 等等。 自上年開始, 以 Debian 為基礎的 Ubuntu Linux Distribution 提供專屬 Raspberry pi 的 OS, 因此大量 ubuntu x86 的 application 和 library 開始被 port 到 ARM 的 Raspberry pi 上行, 亦使得 Raspberry pi 有更多軟件和驅動程式 (driver) 可供玩家使用。 現在進階玩家普遍採用第三方客製化 的 OS, 因為它們幾乎都因應特別需要, 對系統效能作微調和預載特別的軟件, 因此玩家只要安裝這些客製化的 OS , 便能使用已 fine tune 的系統。 這兩年針對天文使用的 Raspberry pi OS 主要有 Anat 的 Iastrohub 和 Max Chen 的 TinyAstro, 而台灣同好亦即將發布 AiGO (StarFruit Pi) 這個天文專案的 Raspberry pi OS。

Reference:
AIGO --> https://www.facebook.com/groups/1754166918205014/
TinyAstro --> https://www.cloudynights.com/topic/5032 ... starsindi/
iAstrohub --> https://www.cloudynights.com/topic/5519 ... otography/
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Raspberry Pi2 and Pi3
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文章 sampson » 週五 24 2月, 2017 22:28

Requirements for auto guiding
最簡便的自動導星方案, 是一個備有 st4 的高敏感度 ccd 、迷尼導星鏡 (mini guide scope)和自動導星軟件。
以我為例, 一個 QHY5II L mono 、一支 30mm 口徑和120mm 焦距的迷尼導星鏡, 以 Lin guider (安裝在 Raspberry pi3) 作自動導星軟件就能輕裝上陣 , 作為一支 600mm 主鏡的自動導星設備。
PHD2 和 Lin guider 這兩套 Linux 上的自動導星軟件都能在 Raspberry pi 上使用 , 但不是完全支援市面上的 ccd 。 QHY5II L 和 ASI120mm 是較多人用的ccd, 到目前為止 , 這兩款 ccd 的 Linux driver 各有其問題 , 而 Lin guider 能完美支援 QHY5II L , 至於 ASI120MM usb 2 版本就有較多問題。

有關 ccd 支援情況, 請自行參閱 Lin guider 和 PHD2 的官方介紹。至於導星鏡的選擇涉及導星鏡和主鏡 image scale (pixel scale) 的比率、seeing 等因素, 請自行學習。
Reference link:
https://stargazerslounge.com/topic/1887 ... eshooting/
http://www.wilmslowastro.com/tips/autoguiding.htm
http://blog.xuite.net/abracad100/twblog/111631815

PHD2 reference:
Official web page: http://openphdguiding.org/
Original source code: https://github.com/OpenPHDGuiding/phd2
Support forum: https://groups.google.com/forum/?fromgr ... hd-guiding

Lin_guider reference:
https://sourceforge.net/projects/linguider/
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QHY5II L mono 、30mm 口徑120mm 焦距的迷尼導星鏡
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文章 sampson » 週五 24 2月, 2017 22:28

Lin_guider
Lin guider 是 Linux 上的自動導星軟件, 亦具備簡單的 avi 攝錄功能, 它是由 Andrew Stepanenko 和 Rumen Bogdanovski 開發的。由於 Lin guider 只有 Linux 版本, 所以大多數同好未必認識。開發者 Rumen 曾經在 cloudynight fourm 透露 Lin guider 用於 Rozhen National Astronomical Observatory Bulgarian (位於保加利亞) 的 2-m RCC 望遠鏡, 而 Rumen 亦是該天文台的現職 Electronic engineer。

Lin guider 的原理是以 PID control loop system 為基礎, 但暫時只有 P 和 I 設定值是生效的。PI 要經過試驗才能找到最合適的數值, 先增加 P 值再觀測 導星情況, 找出合適數值後, 再考慮是否需要增加 I 值 。
Maximum pulse 值是指定發出修正訊號 “pulse signal” 的上限時間, 通常不用調整。Minimum pulse 值較為重要, 因為低於此值的修改訊號會被忽略, 即不會作出任何修正。
PID control coefficients adjustment should by performed empirically, using the specific equipment and with full load. The idea of the adjustment is to find coefficients that don't lead to 'under-guiding' (corrections are too slow) or 'over-guiding' (sinusoidal oscillations with increasing amplitude).
It is recommended to choose the range of values from 10 to slightly more than the recommended value during the selection of the proportional coefficient (see 'Info' block) and move through this region with the step of 10, looking attentively, how the result of the guiding will change.
The selection of the integral coefficient is recommended to perform, if there is constant impact in one direction. This coefficient will allow for the faster correction of the impact, because it takes into account the previous guiding history.
The differential coefficient, as has been said above, is disabled at the moment.
Reference:
http://norikyu.blogspot.hk/p/linguider-pid.html
10 分鐘 guiding 測試 (QHY5-II-L-M ,Raspberry Pi2)
http://www.hkastroforum.net/viewtopic.p ... ht=#296209
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文章 sampson » 週五 24 2月, 2017 22:28

PHD2
幾乎每位有使用自動導星的同好都會認識。Linux 上的 PHD2 雖然備有 QHY5 和 ZWO ASI ccd 的 drivers, 也不是支援所有 QHY 和 ASI 的 ccd, 但它能透過 Linux 上的 INDI driver 支援更多的 ccd。如果需要經 INDI driver 支援才能使用的 ccd, 就要先看看 INDI 官方所提供的支援是否穩定和成熟。
由於我沒有 PHD 的使用經驗, 未能分享使用心得, 但論壇內有多位資深前輩可請教, 大家亦可以自己搜尋相關的文章。

Reference:
https://github.com/OpenPHDGuiding/phd2
https://stargazerslounge.com/topic/1887 ... eshooting/
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文章 sampson » 週五 24 2月, 2017 22:29

INDI Sever and Starter
INDI 全名是 Instrument-Neutral Distributed Interface , 由 Elwood Downey 發起的一個協議草案, 以達致天文儀器和軟件間之溝通和控制, 其優點之一, 是各硬體和軟體能透過網絡以 server-client model 互相連繫及控制, 甚至可以用作遙控天文台。

INDI亦被視為 Linux 系統上的 ascom, 天文儀器/硬件只需直接連到一台裝有 INDI Server 以及相關硬件的 INDI Driver 的電腦, 便能透過 INDI Client 來控制。現在 INDI 已有 Raspberry pi 相容的版本, 只要將天文儀器硬體, 如自動導星 ccd 和 go-to 赤道儀直接連到 Raspberry pi , 便能透過 INDI client 作本機或遙距 (網路) 控制。

INDI Starter 是 Linux 上一個簡單的圖形介面工具, 不熟悉 Linux 電腦指令的人便能透過 INDI Starter 作啟動或關閉 INDI Server 以及增加或減少硬件的 INDI Drivers。

INDIGO
現在 Rumen BogdanovskiPeter Polakovič 正積極地開發第二代 INDI (protocol), 名為 INDIGO 以彌補現在 INDI 的不足。

Reference:
http://indilib.org/about/contributors/1 ... owney.html
http://www.clearskyinstitute.com/INDI/INDI.pdf
http://indilib.org/about/discover-indi.html
http://indilib.org/about/clients.html
http://www.cloudmakers.eu/indiserver/
https://sourceforge.net/projects/indistarter/
http://www.indigo-astronomy.org/
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INDIGO
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文章 sampson » 週五 24 2月, 2017 22:29

Telescope / goto control
到目前為止, 發現能於 Raspberry Pi3 上安裝而又具備 telescope control 功能的星圖軟件主要有 KstarsSkychartStellarium 這三套, 但是能暢順地運作就只有前兩套, 他們都能透過 INDI driver 支援市面上大部分的電腦赤道儀, 但安裝 Kstars 較為容易。

除此之外, 大家亦可以透過平版電腦或手機上的兩套軟件, SkySafari plus/proKstars lite 來控制連接到 Raspberry pi 上的赤道儀。
SkySafari plus/pro 是透過 ser2net 這套安裝在 raspberry pi 的軟件來控制赤道儀而 Kstars lite 是透過安裝在 raspberry pi 上的 INDI driver 來控制。由於 SkySafari 本身有支援特定的赤道儀, 所以與 INDI driver 所支援的可能有分別, 由於我沒有 go-to 赤道儀, 所以 沒有查看當中的分別。 如果只是想用 go-to 功能, 我建議用 SkySafari plus/pro , 相比用 vnc 遙控操作 raspberry pi 上的 Kstars, 用手機/平板上的 SkySafari 會容易和簡單得多, 因為它是為平板和手機而設計, 使用 usb - rs232 連接 raspberry pi 和赤道儀即可使用, 不必購買 skyfi。
Kstars lite 也是為平板和手機而設, 但是剛剛起步和有很多 bug, 暫時不建議使用, 作試驗性質尚可。

SkySafari pro and Kstars mount control demo:
https://youtu.be/siUAqxLLq_A
https://youtu.be/c4AyoAwbDeE
https://www.youtube.com/watch?v=LyGY3tXyoWI

Reference:
https://edu.kde.org/kstars/
https://www.youtube.com/watch?v=3uwyRp8lKt0
http://www.ap-i.net/skychart/en/start
http://www.stellarium.org/
http://skysafariastronomy.com/
https://play.google.com/store/apps/deta ... s&hl=zh_HK
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SkyChart / Cartes du Ciel
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文章 sampson » 週五 24 2月, 2017 22:29

DSLR tethering
Linux 上的 DSLR 控制有 DslrDashboardServer (ddserver) 和功能強大的 gphoto2 這套開源軟件 (OSS)。ddserver 需要配合付費的 qDslrDashboard app 使用, 不在此介紹, 至於 gphoto2 , 它支援的 DSLR 很多, 但不是所有型號和功能都支援, 尤其是星空攝影必須的 B 快門 (Bulb mode), 就算支援某 DSLR 的 B 快門也要有相對應的連接線/接頭來連接 raspberry pi。由於我的知識所限, 只能分享 Nikon 和 Canon 以及使用 usb 作連線的相關資料。

gphoto2 這套軟件需要用指令操作並沒有原生的圖形介面 (GUI), 想使用圖形介面就要靠安裝第三方的前端 (Front end) 軟件又或是自己編寫。
支援 gphoto2 高階功能的前端軟件不多, 主要是 Kstars、 Entangledarktable digikam, 當中以 Kstars 專為天文攝影而設計, 同好可以利用 Kstars 作對焦以及配合自動導星軟件作 dithering 和排程攝影。除了 Kstars之外 , Entangle 最能配合 raspberry pi, 因它對硬體效能要求較少以及其針對 tethering 拍攝的設計, 但我認為除了使用 live view 作對焦外,用 gphoto2 指令控制是最有彈性的, 所以網路上能找到很多以 python 或其他語言寫成的 DSLR 控制程式, 當然也不乏天文同好自己寫的程式, 但用 Entangle 的原因當然是它的圖形控制介面, 亦可以用其 live view 功能作對焦, 唯一問題是 raspberry pi3 效能有限, live view 時反應稍為緩慢。

圖檔

於 Raspberry pi 安裝 Entangle 並不困難, 但想要最新版本就需要用原始碼 自行編譯 (compile)。

雖然 Entangle 的遙距拍攝功能完善, 但我未能成功使用 Nikon 作 B 快門拍攝, 這應該是 Entangle 對 Nikon Bulb mode 支援的問題所致。事實上只有近年新出的 Nikon 機種才能以 usb tethering 方式作 Bulb mode 拍攝 (Nikon D600 或更新的機種但不包括 D3xxx 的機) , 而 Canon 機就普遍沒有問題。幸好我用的 Nikon 機是近年的機種, 所以能透過 gphoto2 指令來進行 B 快門拍攝 ( 雖然 Entangle 未能支援我的 Nikon) , 甚至配合 Lin guider 作 dithering。
Entangle 對需求 tethering 拍攝的影友可能更具吸引力。

至於 Sony DSLR, gphoto2 也支援 Sony Alpha A7 series 的 usb tethering 作 Bulb 拍攝, 詳情請參閱 gphoto2 官方網站。gphoto2 亦是縮時攝影 (Time-lapse) 的利器。

對於我這個只用 DSLR 作星空攝影的入門初哥, 用不着 Kstars 這些複雜軟件, 這是我用的定時快門程式並支援 Lin guider 的 dither 功能, 但暫時只支援 Nikon DSLR, 使用者只需因應自己 Linux 系統的情況, 修改程式內的預設影像儲存位置就能使用, 由於此程式只是用作排程, 系統必須安裝 gphoto2 才能使用, dither 功能就要安裝 Lin guider。程式亦備有 web 控制介面, 但暫時未曾釋出。
https://github.com/QK-sampson/astroCap/ ... strocap.sh

這張相是用此程式配合 Lin guider 作 dither 而影的: http://qqkkd.blogspot.hk/2016/07/dither ... 8-m20.html


Reference:
https://www.youtube.com/watch?v=qRsAqTL4ZZI (Using Canon DSLR in Kstars/Ekos)
http://www.gphoto.org/doc/remote/
https://entangle-photo.org/
http://www.timelapseplus.com/compatability/
https://sourceforge.net/p/gphoto/feature-requests/462/
https://bitbucket.org/tstibor/deepskytools
http://qqkkd.blogspot.hk/2016/11/dslr-c ... ither.html
http://www.darktable.org/
https://www.digikam.org/
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Web interface for DSLR control
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DSLR control using Kstars/Ekos
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文章 sampson » 週五 24 2月, 2017 22:30

Remote control for raspberry pi
Raspberry pi 備有 HDMI 輸出和 usb, 以便使用 LCD 螢幕、usb 滑鼠和鍵盤。除此之外, 我們亦可以為 raspberry pi 安裝 vnc server 軟件, 如 realvnc 和 x11vnc server, 以便透過網絡來遙控系統和攝星軟件, 有能力的同好還可以自己安裝 web server 套件甚至寫 Android app, 如 StarsPi 來達到遙控功能。

安裝現成的 vnc server 是最簡單又容易使用的方法。使用 vnc 遙控亦省卻了外置 LCD 螢幕、滑鼠和鍵盤, 大大增加 raspberry pi 的便攜性, 因為只需用一部裝有 vnc viewer 軟件的電腦、平板或手機就可以透過網絡遙控 Raspberry pi 的整個系統。

Raspberry pi 具備 WiFi 和固網接口 RJ45, 使用者只需將 Raspberry pi 連到網絡就能以 vnc 作遙距控制。對於我們到戶外進行拍攝的用家, 一般會為 Raspberry pi 安裝 hostapd 軟件, 使其內置的 WiFi “接收器”轉變為 WiFi 熱點(access point) 供平板和手機等連上, 用家只需為自己的 Raspberry pi WiFi 熱點改一個獨有的 SSID 名稱和密碼, 便可以在戶外直接連線到自己的 Raspberry pi 並開啟 vnc viewer 來遙控系統, 但也有同好帶備迷尼WiFi路由器到戶外, 透過路由器同一時間遙控多台 Raspberry pi 、 Windows pc (赤道儀、CCD 和 DSLR 等設備)。對於那些擁有固定天文台的用家, 使用 Raspberry pi 的固網 (RJ45) 會較為穩定, 而且能透過互聯網作遠端遙控, 猶如使用 i-telescope。

Windows、Android 的 vnc viewer 軟件衆多, 可以輕易安裝, 亦可使用以下軟件。
Android → https://play.google.com/store/apps/deta ... er.android
Windows → http://www.tightvnc.com/
MacOS → https://www.realvnc.com/download/vnc/macosx/

Reference:
https://play.google.com/store/apps/deta ... r&hl=zh_HK
https://play.google.com/store/apps/deta ... e&hl=zh_HK
https://www.cloudynights.com/topic/4936 ... id-device/
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文章 sampson » 週五 24 2月, 2017 23:01

Questions raised by someone..
1. 師兄, 我對 Raspberry pi3 設置無線遙控自動導星好有興趣, 但我又唔識 linux 唔知道安裝會唔會好困難?
安裝 raspberry pi OS 是非常容易的, 但要安裝軟件就要對 Linux 有基礎認識, 若果是想學習和認識 Linux, 自己安裝是一種樂趣, 否則可能苦不堪言。如果没興趣或能力, 那最好就是直接燒錄 (安裝) 別人“已安裝好天文軟件”的 OS 。
我建議先到 AIGO project FB group 看看, 等到 3 月便有專供天文用的 OS beta version 發布, 用 AIGO (starfruit pi) 便不用自己由零開始安裝。

2. 想問問 raspberry 是 Linux base. 而 AiGO (starfruit pi) 内的操作,或基本操作指引在那裡可以找到?
Linux 完全不像 Microsoft Windows, 它沒有 standard 桌面環境 (X Window, Desktop Environment) 和應用程式, 玩家可以選擇安裝自己喜愛的 x Window 和應用程式, Linux 至少有數十種不同的 x Window, 各有特色, 有超華麗至超簡單任人選擇。應用程式就更多。而 AiGO (StarFruit pi) 只裝了極省資源和超簡單的 LXDE desktop environment, 亦沒有安裝不必要的 application 如 office.

To be continued..

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Raspberry Pi 在天文上的應用

文章 sampson » 週日 07 5月, 2017 00:22

近日為 AiGO 完成了日食 script, 但我不會去美國影日食, 寫這 script 只是為滿足 DIY 慾望和完善 AiGO 並 希望有同好用得着。完了日食 script 後就為自己的 raspberry pi3 OS 設置了 web interface 以便配合自動導星、dithering 作 usb 遙控 DSLR 拍深空, 現在已有簡單的 web control 介面, 還可以作 offline plate solving, 再安裝一套 open source 的php相簿於 Raspberry pi3 , 可以用手機或平板電腦的瀏覽器即時觀看拍攝結果和 plate solving 的結果。

小弟所製的 OS 只用自己的器材測試, 如果有同好想利用 raspberry pi3 作自動導星, 可以考慮下載台灣同好所建立的 AiGO , AiGO developers 有較廣泛的器材測試, 因而建議使用。
下載台灣同好所建立的 AiGO ( https://drive.google.com/file/d/0Bw_cLC ... hiQlE/view )
AiGO user manual ( https://drive.google.com/open?id=0Bw_cL ... Uo2aHB0dkU )

DSLR shutter control with dither function of Lin guider
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DSLR shutter control with dither function of Lin guider
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DSLR bracketing control for solar eclipse
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Offline plate solving control
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Offline plate solving control
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文章 Wongsir » 週一 08 5月, 2017 14:16

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