本发明专利技术公开一种基于太阳能几何光学原理的高度测量装置及方法，包括下支撑板、步进电机、声波测距仪、水平仪、光敏传感器、上支撑板、控制器、数据螺栓；本发明专利技术操作简易，携带轻便，对工作环境要求不高；数据采集与传输自动运行，通过太阳能几何光学原理数学模型获得类杆件高度解析解；对于固定式目标物高度的智能化测量，具有一定的优势；在拓展了适用范围的同时，降低了测量成本。
A height measuring device and method based on solar geometric optics
【技术实现步骤摘要】
一种基于太阳能几何光学的高度测量装置及方法
本专利技术公开一种基于太阳能几何光学原理的高度测量装置及方法，属于测量
技术介绍
测量工具在日常生活和户外工程作业等领域中一直发挥着重要作用。比如，在庭院设计及装修过程中需要测量相关建筑物高度或装饰物长度；在野外调研中，科研人员需要采集某些古建筑的尺寸数据，如需要知道古楼、古塔的高度以便于分析是否出现塔基下沉等问题；在野外作业中需要测量高压输电塔的高度来判断电塔地基的深度是否符合工程要求，对比几年建筑物高度数据来判断是否发生地质沉降及沉降规模；等等。目前市面上测量高度的仪器主要有激光式测高仪和经纬仪两种，但这些测高仪大都价格昂贵、不然精度较低，且对被测物体的表面反射率和尺寸要求较高。常规测量仪自身质量和体积都很大，不方便野外随身携带，架设仪器的地面要求硬度大，对操作人员专业素养要求高，因此在我国数量庞大且专业水平不高的基层工人群体推广起来较困难。另一方面，在使用传统测高仪器的时候，有时需要测量人员攀爬到被测物体顶端放置测量仪器，攀爬过程中极容易损坏被测物体的同时，也给测量人员带来了极大的安全风险。
技术实现思路
针对上述现有测量高度的设备所存在的问题，本专利技术设计了一种新型的测量垂直于地面的类杆件高度的装置，解决了传统测量高度方法中仪器昂贵、精度较低、对测量环境高和测量人员素质要求高等问题的同时，拓展了适用范围，降低了测量成本。本专利技术提供一种基于太阳能几何光学原理的高度测量装置，包括下支撑板1、步进电机2、声波测距仪3、水平仪4、光敏传感器5、上支撑板6、控制器7、螺栓9；下支撑板1上均匀开有四个孔，四个孔两个一组，对称设置在下支撑板1的两端，每个孔内设有螺栓9，步进电机2设置在下支撑板1的中间，步进电机2上面设有上支撑板6，上支撑板6下平面设置声波测距仪3，上支撑板6上平面设有水平仪4、光敏传感器5、控制器7，步进电机2、声波测距仪3、光敏传感器5分别与控制器7连接。所述装置还包括数据无线传输器8、计算机10，数据无线传输器8与控制器7连接，数据无线传输器8与计算机10无线连接。所述控制器7设有定位模块、数据接收模块、数据传输模块，定位模块具有确定经度、纬度以及与正南方位的夹角的功能，Xsens品牌的MTi710可以实现该定位模块的功能；数据接收模块、数据传输模块分别用于接收和传输数据，是控制器的常规功能。所述声波测距仪3位于上支撑板6下平面的一端，光敏传感器5位于上支撑板6上平面的中间，声波测距仪3的工作面在远离光敏传感器5的一侧，声波测距仪3的工作方向与上支撑板6平行。本专利技术所述基于太阳能几何光学原理的高度测量装置的测量方法，具体步骤如下：(1)太阳光线11照射到类杆件12上，形成类杆件阴影13，将高度测量装置放置在类杆件阴影13的边缘，且类杆件阴影13边缘线在光敏传感器5上；通过置于下支撑板1上的四颗螺栓9进行调平，使位于上支撑板6的水平仪4处于水平平衡状态，计算机10通过控制器7对步进电机2发出指令，步进电机2带动声波测距仪3、带动上支撑板6、控制器7转动，使声波测距仪3的工作方向与正南方位的夹角等于太阳方位角γs，(2)当声波测距仪3到达指定方位时，声波测距仪3测量类杆件阴影13的长度CAO，通过光敏传感器5得到类杆件水平投影补偿长度CBC，并将数据反馈给控制器7，控制器7内的定位模块将位置信息并进行保存，控制器7的数据接收模块接收到声波测距仪3和光敏传感器5数据后，数据传输模块利用数据无线传输器8将数据传输给计算机10，计算机10对数据进行处理，计算公式如下：H＝(CAO+CBC)·tanα(2)式(1)和(2)中，式(1)、(2)、(3)中，表示测量地纬度；δ＝0.006918-0.399912cosB+0.070257sinB-0.006758cos2B+0.000907sin2B-0.002697cos3B+0.00148sin3B(4)式(4)中B为日期修正系数，是地球绕日公转而产生的修正之一，计算方法如下：式(4)和式(5)中n表示日期系数，即测量时间为当年第n天；ω为太阳时角，是以昼夜变化为周期的量，太阳正午时ω＝0°；上午为负值，下午取正值；且计算方法如下：ω＝15×(Ts-12)(6)式(6)中Ts表示测量地太阳时，且计算方法如下：Ts＝T+E±4(Lst-Lloc)(7)式(7)中Lloc为测量地经度，式中的正负号是东半球取正号，西半球取负号；Lst为制定测量地标准时间所采用的经度；T是计算机10接收到数据无线传输器8数据时的测量地标准时间；E表示经度修正系数，是地球公转而产生的修正，以分钟为单位，E的参数方程如下：E＝9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB(8)式(8)中B表示日期修正系数，计算方法同式(5)，计算获得类杆件2高度H。所述类杆件水平投影补偿长度CBC的计算原理是：类杆件阴影13边缘在光敏传感器5表面，基于内光电效应，太阳光线中的部分光波刺激光敏传感器5内置的光敏元件，光敏元件输出电信号值不同，光敏传感器5输出的电信号改变，控制器7将电信号放大、滤波、数模转换处理，即得到光敏传感器5处于类杆件阴影13中的长度；而光敏传感器5是固定在上支撑板6上水平面上的，因此光敏传感器5处于类杆件阴影13中的一端与声波测距仪3工作面的的距离已知；将光敏传感器5处于类杆件阴影13中的长度加上光敏传感器5处于类杆件阴影13中的一端与声波测距仪3工作面的距离即可得到类杆件水平投影补偿长度CBC。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：1.测量设备操作简易，携带轻便，对工作环境要求不高；2.数据采集与传输程序自动传回上位机，获得类杆件高度解析解，对于固定式目标物高度的智能化测量，具有一定的优势；3.利用太阳能几何光学，测量固定式物体高度，拓展了适用范围的同时，降低了测量成本。附图说明图1是本专利技术实施例1高度测量装置的结构示意图；图2是本专利技术实施例1高度测量装置的使用示意图；图3是本专利技术实施例1高度测量装置的类杆件水平投影补偿长度CBC；图中：1-下支撑板，2-步进电机，3-声波测距仪，4-水平仪，5-光敏传感器，6-上支撑板，7-控制器，8-数据无线传输器，9-螺栓，10-计算机，11-太阳光线，12-类杆件，13-类杆件阴影。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步描述，以下实施例仅用于分析说明本专利技术的技术方案。实施例1一种基于太阳能几何光学原理的高度测量装置，如图1所示，包括下支撑板1、步进电机2、声波测距仪3、水平仪4、光敏传感器5、上支撑板6、控制器7、数据无线传输器8、螺栓9、计算机10；下支撑板1上均匀开有四个孔，四个孔两个一组，对称设置在下支撑板1的两端，每个孔内设有螺栓本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于太阳能几何光学原理的高度测量装置，其特征在于，包括下支撑板(1)、步进电机(2)、声波测距仪(3)、水平仪(4)、光敏传感器(5)、上支撑板(6)、控制器(7)、螺栓(9)；/n下支撑板(1)上均匀开有四个孔，每个孔内设有螺栓(9)，步进电机(2)设置在下支撑板(1)的中间，步进电机(2)上面设有上支撑板(6)，上支撑板(6)下平面设置声波测距仪(3)，上支撑板(6)上平面设有水平仪(4)、光敏传感器(5)、控制器(7)，步进电机(2)、声波测距仪(3)、光敏传感器(5)分别与控制器(7)连接。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于太阳能几何光学原理的高度测量装置，其特征在于，包括下支撑板(1)、步进电机(2)、声波测距仪(3)、水平仪(4)、光敏传感器(5)、上支撑板(6)、控制器(7)、螺栓(9)；
下支撑板(1)上均匀开有四个孔，每个孔内设有螺栓(9)，步进电机(2)设置在下支撑板(1)的中间，步进电机(2)上面设有上支撑板(6)，上支撑板(6)下平面设置声波测距仪(3)，上支撑板(6)上平面设有水平仪(4)、光敏传感器(5)、控制器(7)，步进电机(2)、声波测距仪(3)、光敏传感器(5)分别与控制器(7)连接。
2.根据权利要求1所述基于太阳能几何光学原理的高度测量装置，其特征在于，还包括数据无线传输器(8)、计算机(10)，数据无线传输器(8)与控制器(7)连接，数据无线传输器(8)与计算机(10)无线连接。
3.根据权利要求1所述基于太阳能几何光学原理的高度测量装置，其特征在于，控制器(7)设有定位模块、数据接收模块、数据传输模块。
4.根据权利要求1所述基于太阳能几何光学原理的高度测量装置，其特征在于，声波测距仪(3)位于上支撑板(6)下平面的一端，光敏传感器(5)位于上支撑板(6)上平面的中间，声波测距仪(3)的工作面在远离光敏传感器(5)的一侧，声波测距仪(3)的工作方向与上支撑板(6)平行。
5.权利要求1所述基于太阳能几何光学原理的高度测量装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)太阳光线(11)照射到类杆件(12)上，形成类杆件阴影(13)，将高度测量装置放置在类杆件阴影(13)的边缘，且类杆件阴影(13)边缘线在光敏传感器(5)上；通过置于下支撑板(1)上的四颗螺栓(9)进行调平，使位于上支撑板(6)的水平仪(4)处于平衡状态，计算机(10)通过控制器(7)对步进电机(2)发出指令，步进电机(2)带动声波测距仪(3)、带动上支撑板(6)、控制器(7)转动，使声波测距仪(3)的工作方向与正南方位的夹角等于太阳方位角γs，
(2)当声波测距仪(3)到达指定方位时，声波测距仪(3)测量类杆件阴影(13)的长度CAO，通过光敏传感器(5)得到类杆件水平投影补偿...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈飞，高崇，许金韬，杨春曦，别玉，李才对，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53
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