建筑日照時(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及建筑日照時(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x，主要包括激光測(cè)障模塊、三軸伺服機(jī)構(gòu)模塊、輔助傳感模塊、人機(jī)交互模塊和主控模塊。激光測(cè)障模塊由激光發(fā)射電路、回波接收電路以及光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成；三軸伺服機(jī)構(gòu)模塊由俯仰角機(jī)構(gòu)、方位角機(jī)構(gòu)以及緯度角調(diào)整機(jī)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(jī)交互模塊由顯示模塊和鍵盤(pán)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(hào)控制三軸伺服模塊，同時(shí)接收激光測(cè)障模塊的信號(hào)計(jì)算日照時(shí)間，最后將日照時(shí)數(shù)等相關(guān)信息顯示在人機(jī)交互界面。本發(fā)明提出的建筑日照時(shí)數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，利用激光測(cè)試障礙物，可以最大程度提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。
【專利說(shuō)明】建筑日照時(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及建筑日照時(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x，通過(guò)激光掃描測(cè)障技術(shù)測(cè)量日照時(shí)數(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 建筑日照時(shí)數(shù)是高標(biāo)準(zhǔn)建筑采光中的重要參考條件之一，與理論日照時(shí)數(shù)有直接 聯(lián)系。日照時(shí)數(shù)通常指的是某一地點(diǎn)可受到太陽(yáng)光照射的總時(shí)數(shù)。理想狀態(tài)下，在沒(méi)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(shí)數(shù)都是全年時(shí)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(shí)數(shù)糾紛日益嚴(yán)重。傳統(tǒng)的用來(lái)采集建 筑日照時(shí)數(shù)的方法通常為攝像法，此方法的測(cè)試過(guò)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(wèn)題
[0004] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了建筑日照時(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x。
[0005] (二）技術(shù)方案
[0006] 建筑日照時(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x，包括激光測(cè)障模塊、三軸伺服機(jī)構(gòu)模塊、輔助傳感模塊、人 機(jī)交互模塊和主控模塊等五部分；其中激光測(cè)障模塊由激光發(fā)射電路、回波接收與信號(hào)整 形電路和光學(xué)系統(tǒng)等三部分組成，激光測(cè)障模塊根據(jù)主控模塊送出的調(diào)制信號(hào)發(fā)出激光脈 沖信號(hào)，并將接收到的回波信號(hào)進(jìn)行整形處理，并輸出至主控模塊進(jìn)行遮擋物的判斷；三軸 伺服機(jī)構(gòu)由方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和緯度角調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，其接收主控模塊的 控制命令，帶動(dòng)激光測(cè)障模塊對(duì)周邊建筑物進(jìn)行掃描；主控模塊從輔助傳感模塊獲取測(cè)量 點(diǎn)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(shí)間段，計(jì)算出太陽(yáng)在空 中的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)三軸伺服機(jī)構(gòu)發(fā)出控制命令，并對(duì)激光測(cè)障模塊的回波信號(hào)進(jìn)行分析與 計(jì)算，最后將結(jié)果顯示在人機(jī)交互界面。
[0007] 進(jìn)一步的，所述的激光測(cè)障模塊中的激光發(fā)射電路的脈沖調(diào)制信號(hào)輸入端與主控 模塊相連，輸出端連接到光學(xué)系統(tǒng)。回波接收與整形電路的輸入端與光學(xué)系統(tǒng)相連，回波整 形信號(hào)輸出端與主控模塊相連。
[0008] 進(jìn)一步的，所述的三軸伺服機(jī)構(gòu)模塊中的方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成 了一個(gè)常見(jiàn)的雙軸系統(tǒng)；該部分加入緯度角調(diào)整機(jī)構(gòu)目的是為了簡(jiǎn)化后期的掃描算法，激 光測(cè)障模塊安裝在該機(jī)構(gòu)的頂端。
[0009] 進(jìn)一步的，所述的主控模塊從輔助傳感模塊獲取測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)緯度、方位角、水平角 等地理信息后對(duì)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行初始化；然后根據(jù)設(shè)定的日期或時(shí)間段，計(jì)算太陽(yáng)在空間的 軌跡參數(shù)，驅(qū)動(dòng)激光測(cè)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(hào)分析周?chē)?建筑物分布情況，最終計(jì)算出該點(diǎn)的日照時(shí)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(jì)，方便功能擴(kuò)展與組裝調(diào)試；還采用了激光測(cè)障技 術(shù)，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度；而且有多種測(cè)量模式供用戶選擇，可以測(cè)量某日某時(shí)段、某周， 某月，某季度或全年日照數(shù)，甚至某個(gè)時(shí)刻的日照情況，測(cè)量模式的可選性增加了儀器的靈 活性和實(shí)用性，再加上測(cè)量過(guò)程完全自動(dòng)化，無(wú)需人工干預(yù)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)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(cè)障礙模塊示意圖；
[0014] 圖3是本發(fā)明的三軸伺服機(jī)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖4是本發(fā)明的空間直角坐標(biāo)系下的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)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(biāo)記及零部件標(biāo)注：1-激光測(cè)障模塊、2-三軸伺服機(jī)構(gòu)、3-輔助傳感模 土夬、4-人機(jī)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(hào)整形電路、13-光 學(xué)系統(tǒng)、21-方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、22-俯仰角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、23-緯度角調(diào)整機(jī)構(gòu)。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。這些附圖均為簡(jiǎn)化的示意圖， 僅以示意方式說(shuō)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(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x的架構(gòu)，包括激光測(cè)障模塊1、三軸伺服機(jī)構(gòu)模 塊2、輔助傳感模塊3、人機(jī)交互模塊4和主控模塊5等五部分。其中激光測(cè)障模塊1由激光 發(fā)射電路11、回波接收與信號(hào)整形電路12和光學(xué)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(hào)發(fā)出激光脈沖信號(hào)，并將接收到的回波信號(hào)進(jìn)行整形處理，并輸出至 主控模塊進(jìn)行遮擋物的判斷。三軸伺服機(jī)構(gòu)由方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)21、俯仰角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)22和緯 度角調(diào)整機(jī)構(gòu)23組成，其接收主控模塊5的控制命令，帶動(dòng)激光測(cè)障模塊1對(duì)周邊建筑物 進(jìn)行掃描。主控模塊5從輔助傳感模塊3獲取測(cè)量點(diǎn)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(shí)間段，計(jì)算出太陽(yáng)在空中的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)三軸伺服機(jī)構(gòu)2發(fā)出控制 命令，并對(duì)激光測(cè)障模塊1的回波信號(hào)進(jìn)行分析與計(jì)算，最后將結(jié)果顯示在人機(jī)交互界面。
[0020] 本發(fā)明所述的激光測(cè)障模塊1的原理圖如圖2所示：激光測(cè)障模塊1由激光發(fā)射 電路11、回波接收與信號(hào)整形電路12和光學(xué)系統(tǒng)13組成。激光發(fā)射電路11的脈沖調(diào)制信 號(hào)輸入端與主控模塊5相連，輸出端連接到光學(xué)系統(tǒng)13?；夭ń邮张c整形電路12的輸入端 與光學(xué)系統(tǒng)13相連，回波整形信號(hào)輸出端與主控模塊5相連。
[0021] 本實(shí)施例中，測(cè)障模塊1采用脈沖激光回波障礙判斷法。當(dāng)對(duì)激光發(fā)射電路11輸 入一個(gè)特定頻率的脈沖信號(hào)，激光發(fā)射電路發(fā)出的激光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)13輸出，回波整形電 路12通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)13接收激光回波信號(hào)，若激光在發(fā)出后沒(méi)有遇到周邊建筑物的遮擋，回 波接收端與整形電路不會(huì)接收到特定頻率的回波信號(hào)，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(wú) 日照。
[0022] 本發(fā)明所述的三軸伺服機(jī)構(gòu)2的示意圖如圖3所示：三軸伺服機(jī)構(gòu)2由方位角旋 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)21、俯仰角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)22和緯度角調(diào)整機(jī)構(gòu)23組成。其中，方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)21和俯 仰角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)22構(gòu)成了一個(gè)常見(jiàn)的雙軸系統(tǒng)。該部分加入緯度角調(diào)整機(jī)構(gòu)23目的是為了 簡(jiǎn)化后期的掃描算法。激光測(cè)障模塊1安裝在該機(jī)構(gòu)的頂端。
[0023] 本發(fā)明所述的建立在空間直角坐標(biāo)系下的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)〇為觀測(cè)點(diǎn)。切面H完全通過(guò)0-y軸，該切面即為 觀測(cè)點(diǎn)所在的地平面，P為該平面與0-z軸的交角，即為觀測(cè)點(diǎn)的地理緯度。1為觀測(cè)點(diǎn)指 向太陽(yáng)的向量，S為1與X〇y平面的交角，即為太陽(yáng)赤緯，一年中每天的太陽(yáng)赤緯可以通過(guò) 查氣象年表得到。根據(jù)天球模型中的太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律可知，1實(shí)際上在一直繞著O-Z 軸做360° /24h的轉(zhuǎn)動(dòng)，《為1在xOy平面內(nèi)的投影與0-x軸的順時(shí)針?lè)较蚪?，該角稱為 時(shí)角，其變化關(guān)系為15° /h。
[0024] 根據(jù)上述太陽(yáng)在空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合三軸伺服機(jī)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)易知，三軸伺服機(jī) 構(gòu)1中的方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)21的控制角度對(duì)應(yīng)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)描述參量中的時(shí)角w，俯仰角旋轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)22的控制角度對(duì)應(yīng)陽(yáng)運(yùn)動(dòng)描述參量中的太陽(yáng)赤緯S，緯度角調(diào)整機(jī)構(gòu)23的控制角度對(duì) 應(yīng)陽(yáng)運(yùn)動(dòng)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(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x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(yáng)運(yùn)動(dòng)描述，每日對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的太陽(yáng)赤緯，若需測(cè)量指定日期的日照時(shí)數(shù)，只需要計(jì) 算相應(yīng)的太陽(yáng)赤緯，并根據(jù)被測(cè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)控制三軸伺服機(jī)構(gòu)2的方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)21旋 轉(zhuǎn)360度，即可認(rèn)為掃描了一天的日照數(shù)據(jù)。若要完成全年的日照時(shí)數(shù)測(cè)量，則只需要讓安 裝在三軸伺服機(jī)構(gòu)2上的激光測(cè)障模塊1指向太陽(yáng)在一年中每天的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行重復(fù)掃 描，即可快速完成全年的日照時(shí)數(shù)的測(cè)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(duì)遮擋區(qū)，如圖5 所示。建筑遮擋區(qū)指的是掃描過(guò)程中接收到激光回波信號(hào)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(guò)程中接收到回波信號(hào)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(yáng)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(gè)建筑遮擋區(qū)的兩個(gè)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(yáng)的視角，太陽(yáng)的視角 入可由以下公式簡(jiǎn)化計(jì)算：
[0028] A ^ 2r/R(r?R)
[0029] 其中：1為太陽(yáng)半徑，R為日地距離。由于r〈〈R，故可采用上式簡(jiǎn)化計(jì)算太陽(yáng)視角， 其大小約為0.53度。
[0030] 絕對(duì)遮擋區(qū)是指太陽(yáng)在地平線下方移動(dòng)的區(qū)域，表示當(dāng)?shù)匾堰M(jìn)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(duì)遮擋區(qū)以外的區(qū)域。
[0032] 通過(guò)每日日照掃描數(shù)據(jù)，日照儀便可計(jì)算出被測(cè)地點(diǎn)某日某時(shí)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(jī)交互界面，以供用戶參考。
[0033] 顯而易見(jiàn)，得益于激光測(cè)障模塊1設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的掃描精度有所提升，同時(shí)，三 軸伺服機(jī)構(gòu)2以及其掃描方式可以最大程度地簡(jiǎn)化后期計(jì)算日照數(shù)值的算法，因此，本發(fā) 明方案能精確測(cè)量建筑日照時(shí)數(shù)。
[0034] 以上說(shuō)明書(shū)中描述的只是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，各種舉例說(shuō)明不對(duì)本發(fā)明的實(shí) 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(shuō)明書(shū)后可以對(duì)以前所述的具體 實(shí)施方式做修改或變形，而不背離發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
【權(quán)利要求】
1. 建筑日照時(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x，包括激光測(cè)障模塊、三軸伺服機(jī)構(gòu)模塊、輔助傳感模塊、人機(jī) 交互模塊和主控模塊等五部分；其中激光測(cè)障模塊由激光發(fā)射電路、回波接收與信號(hào)整形 電路和光學(xué)系統(tǒng)等三部分組成，激光測(cè)障模塊根據(jù)主控模塊送出的調(diào)制信號(hào)發(fā)出激光脈沖 信號(hào)，并將接收到的回波信號(hào)進(jìn)行整形處理，并輸出至主控模塊進(jìn)行遮擋物的判斷；三軸伺 服機(jī)構(gòu)由方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和緯度角調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，其接收主控模塊的控 制命令，帶動(dòng)激光測(cè)障模塊對(duì)周邊建筑物進(jìn)行掃描；主控模塊從輔助傳感模塊獲取測(cè)量點(diǎn) 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(shí)間段，計(jì)算出太陽(yáng)在空中的運(yùn) 動(dòng)軌跡，對(duì)三軸伺服機(jī)構(gòu)發(fā)出控制命令，并對(duì)激光測(cè)障模塊的回波信號(hào)進(jìn)行分析與計(jì)算，最 后將結(jié)果顯示在人機(jī)交互界面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑日照時(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于：所述的激光測(cè)障模塊中 的激光發(fā)射電路的脈沖調(diào)制信號(hào)輸入端與主控模塊相連，輸出端連接到光學(xué)系統(tǒng)?；夭ń?收與整形電路的輸入端與光學(xué)系統(tǒng)相連，回波整形信號(hào)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(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于：所述的三軸伺服機(jī)構(gòu)模 塊中的方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)常見(jiàn)的雙軸系統(tǒng)；該部分加入緯度角 調(diào)整機(jī)構(gòu)目的是為了簡(jiǎn)化后期的掃描算法，激光測(cè)障模塊安裝在該機(jī)構(gòu)的頂端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑日照時(shí)數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于：所述的主控模塊從輔助 傳感模塊獲取測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)緯度、方位角、水平角等地理信息后對(duì)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行初始化；然后 根據(jù)設(shè)定的日期或時(shí)間段，計(jì)算太陽(yáng)在空間的軌跡參數(shù)，驅(qū)動(dòng)激光測(cè)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(hào)分析周?chē)ㄖ锓植记闆r，最終計(jì)算出該點(diǎn)的日照時(shí) 數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01W1/12GK104360421SQ201410573378
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:常州慧源智能科技有限公司