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建筑日照時數(shù)測量儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及建筑日照時數(shù)測量儀，主要包括激光測障模塊、三軸伺服機構(gòu)模塊、輔助傳感模塊、人機交互模塊和主控模塊。激光測障模塊由激光發(fā)射電路、回波接收電路以及光學系統(tǒng)構(gòu)成；三軸伺服機構(gòu)模塊由俯仰角機構(gòu)、方位角機構(gòu)以及緯度角調(diào)整機構(gòu)構(gòu)成。輔助傳感模塊由GPS模塊和方向傳感模塊構(gòu)成；人機交互模塊由顯示模塊和鍵盤模塊構(gòu)成。其原理是主控模塊根據(jù)輔助傳感模塊的信號控制三軸伺服模塊，同時接收激光測障模塊的信號計算日照時間，最后將日照時數(shù)等相關(guān)信息顯示在人機交互界面。本發(fā)明提出的建筑日照時數(shù)測量系統(tǒng)，利用激光測試障礙物，可以最大程度提高系統(tǒng)的測量精度。
【專利說明】建筑日照時數(shù)測量儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及建筑日照時數(shù)測量儀，通過激光掃描測障技術(shù)測量日照時數(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 建筑日照時數(shù)是高標準建筑采光中的重要參考條件之一，與理論日照時數(shù)有直接 聯(lián)系。日照時數(shù)通常指的是某一地點可受到太陽光照射的總時數(shù)。理想狀態(tài)下，在沒有任何 遮擋物并不考慮大氣因素的情況下，任何一地全年的理論日照時數(shù)都是全年時間的一半。 隨著城市建設(shè)的發(fā)展，各種因建筑分布引起的日照時數(shù)糾紛日益嚴重。傳統(tǒng)的用來采集建 筑日照時數(shù)的方法通常為攝像法，此方法的測試過程需要人工操作，極為繁瑣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] (一）要解決的技術(shù)問題
[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明設(shè)計了建筑日照時數(shù)測量儀。
[0005] (二）技術(shù)方案
[0006] 建筑日照時數(shù)測量儀，包括激光測障模塊、三軸伺服機構(gòu)模塊、輔助傳感模塊、人 機交互模塊和主控模塊等五部分；其中激光測障模塊由激光發(fā)射電路、回波接收與信號整 形電路和光學系統(tǒng)等三部分組成，激光測障模塊根據(jù)主控模塊送出的調(diào)制信號發(fā)出激光脈 沖信號，并將接收到的回波信號進行整形處理，并輸出至主控模塊進行遮擋物的判斷；三軸 伺服機構(gòu)由方位角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、俯仰角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和緯度角調(diào)整機構(gòu)組成，其接收主控模塊的 控制命令，帶動激光測障模塊對周邊建筑物進行掃描；主控模塊從輔助傳感模塊獲取測量 點的經(jīng)緯度、方位角、水平角等地理信息及用戶設(shè)定的掃描日期或時間段，計算出太陽在空 中的運動軌跡，對三軸伺服機構(gòu)發(fā)出控制命令，并對激光測障模塊的回波信號進行分析與 計算，最后將結(jié)果顯示在人機交互界面。
[0007] 進一步的，所述的激光測障模塊中的激光發(fā)射電路的脈沖調(diào)制信號輸入端與主控 模塊相連，輸出端連接到光學系統(tǒng)?；夭ń邮张c整形電路的輸入端與光學系統(tǒng)相連，回波整 形信號輸出端與主控模塊相連。
[0008] 進一步的，所述的三軸伺服機構(gòu)模塊中的方位角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和俯仰角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)構(gòu)成 了一個常見的雙軸系統(tǒng)；該部分加入緯度角調(diào)整機構(gòu)目的是為了簡化后期的掃描算法，激 光測障模塊安裝在該機構(gòu)的頂端。
[0009] 進一步的，所述的主控模塊從輔助傳感模塊獲取測量點的經(jīng)緯度、方位角、水平角 等地理信息后對伺服機構(gòu)進行初始化；然后根據(jù)設(shè)定的日期或時間段，計算太陽在空間的 軌跡參數(shù)，驅(qū)動激光測障礙模塊沿該軌跡掃描工作；主控模塊根據(jù)激光回波信號分析周圍 建筑物分布情況，最終計算出該點的日照時數(shù)。
[0010] (三）有益效果
[0011] 本發(fā)明的系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，方便功能擴展與組裝調(diào)試；還采用了激光測障技 術(shù)，提高了系統(tǒng)的測量精度；而且有多種測量模式供用戶選擇，可以測量某日某時段、某周， 某月，某季度或全年日照數(shù)，甚至某個時刻的日照情況，測量模式的可選性增加了儀器的靈 活性和實用性，再加上測量過程完全自動化，無需人工干預(yù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2是本發(fā)明的激光測障礙模塊示意圖；
[0014] 圖3是本發(fā)明的三軸伺服機構(gòu)示意圖；
[0015] 圖4是本發(fā)明的空間直角坐標系下的太陽運動描述示意圖；
[0016] 圖5是本發(fā)明的日照掃描數(shù)據(jù)示意圖；
[0017] 附圖中的標記及零部件標注：1-激光測障模塊、2-三軸伺服機構(gòu)、3-輔助傳感模 土夬、4-人機交互模塊、5-主控模塊、11-激光發(fā)射電路、12-回波接收與信號整形電路、13-光 學系統(tǒng)、21-方位角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、22-俯仰角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、23-緯度角調(diào)整機構(gòu)。

【具體實施方式】
[0018] 結(jié)合附圖和優(yōu)選實例對本發(fā)明作進一步詳細說明。這些附圖均為簡化的示意圖， 僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此，其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
[0019] 如圖1所示的建筑日照時數(shù)測量儀的架構(gòu)，包括激光測障模塊1、三軸伺服機構(gòu)模 塊2、輔助傳感模塊3、人機交互模塊4和主控模塊5等五部分。其中激光測障模塊1由激光 發(fā)射電路11、回波接收與信號整形電路12和光學系統(tǒng)13等三部分組成，該模塊根據(jù)主控模 塊5送出的調(diào)制信號發(fā)出激光脈沖信號，并將接收到的回波信號進行整形處理，并輸出至 主控模塊進行遮擋物的判斷。三軸伺服機構(gòu)由方位角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)21、俯仰角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)22和緯 度角調(diào)整機構(gòu)23組成，其接收主控模塊5的控制命令，帶動激光測障模塊1對周邊建筑物 進行掃描。主控模塊5從輔助傳感模塊3獲取測量點的經(jīng)緯度、方位角、水平角等地理信息 及用戶設(shè)定的日期或時間段，計算出太陽在空中的運動軌跡，對三軸伺服機構(gòu)2發(fā)出控制 命令，并對激光測障模塊1的回波信號進行分析與計算，最后將結(jié)果顯示在人機交互界面。
[0020] 本發(fā)明所述的激光測障模塊1的原理圖如圖2所示：激光測障模塊1由激光發(fā)射 電路11、回波接收與信號整形電路12和光學系統(tǒng)13組成。激光發(fā)射電路11的脈沖調(diào)制信 號輸入端與主控模塊5相連，輸出端連接到光學系統(tǒng)13?；夭ń邮张c整形電路12的輸入端 與光學系統(tǒng)13相連，回波整形信號輸出端與主控模塊5相連。
[0021] 本實施例中，測障模塊1采用脈沖激光回波障礙判斷法。當對激光發(fā)射電路11輸 入一個特定頻率的脈沖信號，激光發(fā)射電路發(fā)出的激光通過光學系統(tǒng)13輸出，回波整形電 路12通過光學系統(tǒng)13接收激光回波信號，若激光在發(fā)出后沒有遇到周邊建筑物的遮擋，回 波接收端與整形電路不會接收到特定頻率的回波信號，則判定為此刻此方位有日照；若激 光遇到障礙物，回波接收與整形電路12能接收到特定頻率的激光，則判定為此刻此方位無 日照。
[0022] 本發(fā)明所述的三軸伺服機構(gòu)2的示意圖如圖3所示：三軸伺服機構(gòu)2由方位角旋 轉(zhuǎn)機構(gòu)21、俯仰角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)22和緯度角調(diào)整機構(gòu)23組成。其中，方位角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)21和俯 仰角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)22構(gòu)成了一個常見的雙軸系統(tǒng)。該部分加入緯度角調(diào)整機構(gòu)23目的是為了 簡化后期的掃描算法。激光測障模塊1安裝在該機構(gòu)的頂端。
[0023] 本發(fā)明所述的建立在空間直角坐標系下的太陽運動描述如圖4所示：0-z軸為假 想的地軸，x〇y平面為假想的赤道面，原點〇為觀測點。切面H完全通過0-y軸，該切面即為 觀測點所在的地平面，P為該平面與0-z軸的交角，即為觀測點的地理緯度。1為觀測點指 向太陽的向量，S為1與X〇y平面的交角，即為太陽赤緯，一年中每天的太陽赤緯可以通過 查氣象年表得到。根據(jù)天球模型中的太陽視運動的變化規(guī)律可知，1實際上在一直繞著O-Z 軸做360° /24h的轉(zhuǎn)動，《為1在xOy平面內(nèi)的投影與0-x軸的順時針方向角，該角稱為 時角，其變化關(guān)系為15° /h。
[0024] 根據(jù)上述太陽在空間的運動規(guī)律，結(jié)合三軸伺服機構(gòu)2的結(jié)構(gòu)易知，三軸伺服機 構(gòu)1中的方位角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)21的控制角度對應(yīng)太陽運動描述參量中的時角w，俯仰角旋轉(zhuǎn)機 構(gòu)22的控制角度對應(yīng)陽運動描述參量中的太陽赤緯S，緯度角調(diào)整機構(gòu)23的控制角度對 應(yīng)陽運動描述參量中的地理纟韋度供。
[0025] 本發(fā)明所述的建筑日照時數(shù)測量儀的日照掃描數(shù)據(jù)示意圖如圖5所示：根據(jù)圖4 的太陽運動描述，每日對應(yīng)一個不同的太陽赤緯，若需測量指定日期的日照時數(shù)，只需要計 算相應(yīng)的太陽赤緯，并根據(jù)被測點的地理坐標控制三軸伺服機構(gòu)2的方位角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)21旋 轉(zhuǎn)360度，即可認為掃描了一天的日照數(shù)據(jù)。若要完成全年的日照時數(shù)測量，則只需要讓安 裝在三軸伺服機構(gòu)2上的激光測障模塊1指向太陽在一年中每天的運動軌跡進行重復(fù)掃 描，即可快速完成全年的日照時數(shù)的測量。
[0026] 其中，在每天的掃描數(shù)據(jù)中都存在著建筑遮擋區(qū)、偽遮擋區(qū)和絕對遮擋區(qū)，如圖5 所示。建筑遮擋區(qū)指的是掃描過程中接收到激光回波信號的部分，該區(qū)域不可接受日照。
[0027] 偽遮擋區(qū)指的是掃描過程中接收到回波信號但該部分的遮擋不足以完全擋住日 照，即遮擋區(qū)的視角小于太陽視角的區(qū)域，因此，偽遮擋區(qū)也一定出現(xiàn)在建筑遮擋區(qū)中，一 個建筑遮擋區(qū)的兩個邊緣必為偽遮擋區(qū)（圖5中所示的建筑遮擋區(qū)已除去偽遮擋區(qū)），偽遮 擋區(qū)可接受日照。偽遮擋區(qū)的判斷依據(jù)是遮擋區(qū)的掃描角度小于太陽的視角，太陽的視角 入可由以下公式簡化計算：
[0028] A ^ 2r/R(r?R)
[0029] 其中：1為太陽半徑，R為日地距離。由于r〈〈R，故可采用上式簡化計算太陽視角， 其大小約為0.53度。
[0030] 絕對遮擋區(qū)是指太陽在地平線下方移動的區(qū)域，表示當?shù)匾堰M入晚間，不可接受 日照的區(qū)域。
[0031] 綜合上述分析，日照區(qū)是除建筑遮擋區(qū)和絕對遮擋區(qū)以外的區(qū)域。
[0032] 通過每日日照掃描數(shù)據(jù)，日照儀便可計算出被測地點某日某時段、某周，某月、某 季度、年日照數(shù)據(jù)，最后將綜合分析結(jié)果顯示在人機交互界面，以供用戶參考。
[0033] 顯而易見，得益于激光測障模塊1設(shè)計方案，系統(tǒng)的掃描精度有所提升，同時，三 軸伺服機構(gòu)2以及其掃描方式可以最大程度地簡化后期計算日照數(shù)值的算法，因此，本發(fā) 明方案能精確測量建筑日照時數(shù)。
[0034] 以上說明書中描述的只是本發(fā)明的【具體實施方式】，各種舉例說明不對本發(fā)明的實 質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員在閱讀了說明書后可以對以前所述的具體 實施方式做修改或變形，而不背離發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
【權(quán)利要求】
1. 建筑日照時數(shù)測量儀，包括激光測障模塊、三軸伺服機構(gòu)模塊、輔助傳感模塊、人機 交互模塊和主控模塊等五部分；其中激光測障模塊由激光發(fā)射電路、回波接收與信號整形 電路和光學系統(tǒng)等三部分組成，激光測障模塊根據(jù)主控模塊送出的調(diào)制信號發(fā)出激光脈沖 信號，并將接收到的回波信號進行整形處理，并輸出至主控模塊進行遮擋物的判斷；三軸伺 服機構(gòu)由方位角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、俯仰角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和緯度角調(diào)整機構(gòu)組成，其接收主控模塊的控 制命令，帶動激光測障模塊對周邊建筑物進行掃描；主控模塊從輔助傳感模塊獲取測量點 的經(jīng)緯度、方位角、水平角等地理信息及用戶設(shè)定的日期或時間段，計算出太陽在空中的運 動軌跡，對三軸伺服機構(gòu)發(fā)出控制命令，并對激光測障模塊的回波信號進行分析與計算，最 后將結(jié)果顯示在人機交互界面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑日照時數(shù)測量儀，其特征在于：所述的激光測障模塊中 的激光發(fā)射電路的脈沖調(diào)制信號輸入端與主控模塊相連，輸出端連接到光學系統(tǒng)?；夭ń?收與整形電路的輸入端與光學系統(tǒng)相連，回波整形信號輸出端與主控模塊相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑日照時數(shù)測量儀，其特征在于：所述的三軸伺服機構(gòu)模 塊中的方位角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和俯仰角旋轉(zhuǎn)機構(gòu)構(gòu)成了一個常見的雙軸系統(tǒng)；該部分加入緯度角 調(diào)整機構(gòu)目的是為了簡化后期的掃描算法，激光測障模塊安裝在該機構(gòu)的頂端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑日照時數(shù)測量儀，其特征在于：所述的主控模塊從輔助 傳感模塊獲取測量點的經(jīng)緯度、方位角、水平角等地理信息后對伺服機構(gòu)進行初始化；然后 根據(jù)設(shè)定的日期或時間段，計算太陽在空間的軌跡參數(shù)，驅(qū)動激光測障礙模塊沿該軌跡掃 描工作；主控模塊根據(jù)激光回波信號分析周圍建筑物分布情況，最終計算出該點的日照時 數(shù)。
【文檔編號】G01W1/12GK104360421SQ201410573378
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】房淼森, 唐乾鋒, 張庭軼 申請人:常州慧源智能科技有限公司