CN104360421A - 建筑日照时数测量仪 - Google Patents

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房淼森
唐乾锋
张庭轶
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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Abstract

本发明涉及建筑日照时数测量仪，主要包括激光测障模块、三轴伺服机构模块、辅助传感模块、人机交互模块和主控模块。激光测障模块由激光发射电路、回波接收电路以及光学系统构成；三轴伺服机构模块由俯仰角机构、方位角机构以及纬度角调整机构构成。辅助传感模块由GPS模块和方向传感模块构成；人机交互模块由显示模块和键盘模块构成。其原理是主控模块根据辅助传感模块的信号控制三轴伺服模块，同时接收激光测障模块的信号计算日照时间，最后将日照时数等相关信息显示在人机交互界面。本发明提出的建筑日照时数测量系统，利用激光测试障碍物，可以最大程度提高系统的测量精度。

Description

建筑日照时数测量仪
技术领域
本发明专利涉及建筑日照时数测量仪，通过激光扫描测障技术测量日照时数。
背景技术
建筑日照时数是高标准建筑采光中的重要参考条件之一，与理论日照时数有直接联系。日照时数通常指的是某一地点可受到太阳光照射的总时数。理想状态下，在没有任何遮挡物并不考虑大气因素的情况下，任何一地全年的理论日照时数都是全年时间的一半。随着城市建设的发展，各种因建筑分布引起的日照时数纠纷日益严重。传统的用来采集建筑日照时数的方法通常为摄像法，此方法的测试过程需要人工操作，极为繁琐。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述问题，本发明设计了建筑日照时数测量仪。
(二)技术方案
建筑日照时数测量仪，包括激光测障模块、三轴伺服机构模块、辅助传感模块、人机交互模块和主控模块等五部分；其中激光测障模块由激光发射电路、回波接收与信号整形电路和光学系统等三部分组成，激光测障模块根据主控模块送出的调制信号发出激光脉冲信号，并将接收到的回波信号进行整形处理，并输出至主控模块进行遮挡物的判断；三轴伺服机构由方位角旋转机构、俯仰角旋转机构和纬度角调整机构组成，其接收主控模块的控制命令，带动激光测障模块对周边建筑物进行扫描；主控模块从辅助传感模块获取测量点的经纬度、方位角、水平角等地理信息及用户设定的扫描日期或时间段，计算出太阳在空中的运动轨迹，对三轴伺服机构发出控制命令，并对激光测障模块的回波信号进行分析与计算，最后将结果显示在人机交互界面。
进一步的，所述的激光测障模块中的激光发射电路的脉冲调制信号输入端与主控模块相连，输出端连接到光学系统。回波接收与整形电路的输入端与光学系统相连，回波整形信号输出端与主控模块相连。
进一步的，所述的三轴伺服机构模块中的方位角旋转机构和俯仰角旋转机构构成了一个常见的双轴系统；该部分加入纬度角调整机构目的是为了简化后期的扫描算法，激光测障模块安装在该机构的顶端。
进一步的，所述的主控模块从辅助传感模块获取测量点的经纬度、方位角、水平角等地理信息后对伺服机构进行初始化；然后根据设定的日期或时间段，计算太阳在空间的轨迹参数，驱动激光测障碍模块沿该轨迹扫描工作；主控模块根据激光回波信号分析周围建筑物分布情况，最终计算出该点的日照时数。
(三)有益效果
本发明的系统采用模块化设计，方便功能扩展与组装调试；还采用了激光测障技术，提高了系统的测量精度；而且有多种测量模式供用户选择，可以测量某日某时段、某周，某月，某季度或全年日照数，甚至某个时刻的日照情况，测量模式的可选性增加了仪器的灵活性和实用性，再加上测量过程完全自动化，无需人工干预。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的激光测障碍模块示意图；
图3是本发明的三轴伺服机构示意图；
图4是本发明的空间直角坐标系下的太阳运动描述示意图；
图5是本发明的日照扫描数据示意图；
附图中的标记及零部件标注：1-激光测障模块、2-三轴伺服机构、3-辅助传感模块、4-人机交互模块、5-主控模块、11-激光发射电路、12-回波接收与信号整形电路、13-光学系统、21-方位角旋转机构、22-俯仰角旋转机构、23-纬度角调整机构。
具体实施方式
结合附图和优选实例对本发明作进一步详细说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此，其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示的建筑日照时数测量仪的架构，包括激光测障模块1、三轴伺服机构模块2、辅助传感模块3、人机交互模块4和主控模块5等五部分。其中激光测障模块1由激光发射电路11、回波接收与信号整形电路12和光学系统13等三部分组成，该模块根据主控模块5送出的调制信号发出激光脉冲信号，并将接收到的回波信号进行整形处理，并输出至主控模块进行遮挡物的判断。三轴伺服机构由方位角旋转机构21、俯仰角旋转机构22和纬度角调整机构23组成，其接收主控模块5的控制命令，带动激光测障模块1对周边建筑物进行扫描。主控模块5从辅助传感模块3获取测量点的经纬度、方位角、水平角等地理信息及用户设定的日期或时间段，计算出太阳在空中的运动轨迹，对三轴伺服机构2发出控制命令，并对激光测障模块1的回波信号进行分析与计算，最后将结果显示在人机交互界面。
本发明所述的激光测障模块1的原理图如图2所示：激光测障模块1由激光发射电路11、回波接收与信号整形电路12和光学系统13组成。激光发射电路11的脉冲调制信号输入端与主控模块5相连，输出端连接到光学系统13。回波接收与整形电路12的输入端与光学系统13相连，回波整形信号输出端与主控模块5相连。
本实施例中，测障模块1采用脉冲激光回波障碍判断法。当对激光发射电路11输入一个特定频率的脉冲信号，激光发射电路发出的激光通过光学系统13输出，回波整形电路12通过光学系统13接收激光回波信号，若激光在发出后没有遇到周边建筑物的遮挡，回波接收端与整形电路不会接收到特定频率的回波信号，则判定为此刻此方位有日照；若激光遇到障碍物，回波接收与整形电路12能接收到特定频率的激光，则判定为此刻此方位无日照。
本发明所述的三轴伺服机构2的示意图如图3所示：三轴伺服机构2由方位角旋转机构21、俯仰角旋转机构22和纬度角调整机构23组成。其中，方位角旋转机构21和俯仰角旋转机构22构成了一个常见的双轴系统。该部分加入纬度角调整机构23目的是为了简化后期的扫描算法。激光测障模块1安装在该机构的顶端。
本发明所述的建立在空间直角坐标系下的太阳运动描述如图4所示：O-z轴为假想的地轴，xOy平面为假想的赤道面，原点O为观测点。切面H完全通过O-y轴，该切面即为观测点所在的地平面，为该平面与O-z轴的交角，即为观测点的地理纬度。l为观测点指向太阳的向量，δ为l与xOy平面的交角，即为太阳赤纬，一年中每天的太阳赤纬可以通过查气象年表得到。根据天球模型中的太阳视运动的变化规律可知，l实际上在一直绕着O-z轴做360°/24h的转动，ω为l在xOy平面内的投影与O-x轴的顺时针方向角，该角称为时角，其变化关系为15°/h。
根据上述太阳在空间的运动规律，结合三轴伺服机构2的结构易知，三轴伺服机构1中的方位角旋转机构21的控制角度对应太阳运动描述参量中的时角ω，俯仰角旋转机构22的控制角度对应阳运动描述参量中的太阳赤纬δ，纬度角调整机构23的控制角度对应阳运动描述参量中的地理纬度。
本发明所述的建筑日照时数测量仪的日照扫描数据示意图如图5所示：根据图4的太阳运动描述，每日对应一个不同的太阳赤纬，若需测量指定日期的日照时数，只需要计算相应的太阳赤纬，并根据被测点的地理坐标控制三轴伺服机构2的方位角旋转机构21旋转360度，即可认为扫描了一天的日照数据。若要完成全年的日照时数测量，则只需要让安装在三轴伺服机构2上的激光测障模块1指向太阳在一年中每天的运动轨迹进行重复扫描，即可快速完成全年的日照时数的测量。
其中，在每天的扫描数据中都存在着建筑遮挡区、伪遮挡区和绝对遮挡区，如图5所示。建筑遮挡区指的是扫描过程中接收到激光回波信号的部分，该区域不可接受日照。
伪遮挡区指的是扫描过程中接收到回波信号但该部分的遮挡不足以完全挡住日照，即遮挡区的视角小于太阳视角的区域，因此，伪遮挡区也一定出现在建筑遮挡区中，一个建筑遮挡区的两个边缘必为伪遮挡区(图5中所示的建筑遮挡区已除去伪遮挡区)，伪遮挡区可接受日照。伪遮挡区的判断依据是遮挡区的扫描角度小于太阳的视角，太阳的视角λ可由以下公式简化计算：
λ≈2r/R(r<<R)
其中：r为太阳半径，R为日地距离。由于r<<R，故可采用上式简化计算太阳视角，其大小约为0.53度。
绝对遮挡区是指太阳在地平线下方移动的区域，表示当地已进入晚间，不可接受日照的区域。
综合上述分析，日照区是除建筑遮挡区和绝对遮挡区以外的区域。
通过每日日照扫描数据，日照仪便可计算出被测地点某日某时段、某周，某月、某季度、年日照数据，最后将综合分析结果显示在人机交互界面，以供用户参考。
显而易见，得益于激光测障模块1设计方案，系统的扫描精度有所提升，同时，三轴伺服机构2以及其扫描方式可以最大程度地简化后期计算日照数值的算法，因此，本发明方案能精确测量建筑日照时数。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (4)

1.建筑日照时数测量仪，包括激光测障模块、三轴伺服机构模块、辅助传感模块、人机交互模块和主控模块等五部分；其中激光测障模块由激光发射电路、回波接收与信号整形电路和光学系统等三部分组成，激光测障模块根据主控模块送出的调制信号发出激光脉冲信号，并将接收到的回波信号进行整形处理，并输出至主控模块进行遮挡物的判断；三轴伺服机构由方位角旋转机构、俯仰角旋转机构和纬度角调整机构组成，其接收主控模块的控制命令，带动激光测障模块对周边建筑物进行扫描；主控模块从辅助传感模块获取测量点的经纬度、方位角、水平角等地理信息及用户设定的日期或时间段，计算出太阳在空中的运动轨迹，对三轴伺服机构发出控制命令，并对激光测障模块的回波信号进行分析与计算，最后将结果显示在人机交互界面。
2.根据权利要求1所述的建筑日照时数测量仪，其特征在于：所述的激光测障模块中的激光发射电路的脉冲调制信号输入端与主控模块相连，输出端连接到光学系统。回波接收与整形电路的输入端与光学系统相连，回波整形信号输出端与主控模块相连。
3.根据权利要求1所述的建筑日照时数测量仪，其特征在于：所述的三轴伺服机构模块中的方位角旋转机构和俯仰角旋转机构构成了一个常见的双轴系统；该部分加入纬度角调整机构目的是为了简化后期的扫描算法，激光测障模块安装在该机构的顶端。
4.根据权利要求1所述的建筑日照时数测量仪，其特征在于：所述的主控模块从辅助传感模块获取测量点的经纬度、方位角、水平角等地理信息后对伺服机构进行初始化；然后根据设定的日期或时间段，计算太阳在空间的轨迹参数，驱动激光测障碍模块沿该轨迹扫描工作；主控模块根据激光回波信号分析周围建筑物分布情况，最终计算出该点的日照时数。
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