專利名稱：計算機控制的照明系統的制作方法
計算機控制的照明系統
本發明總體涉及計算機控制的照明系統，并且特別地涉及自動配置 照明系統以實現對工作表面的希望的照明。
照明系統的主要目標之一是向希望的位置或工作表面提供必要的 照度或照明水平。照明技術已經發展到燈具可以單獨地驅動它們的輸出 光照水平的程度。通過這種方式，用戶具有增強的控制以實現希望的工 作表面的必要的照度。人工照明的另一個非常相關的方面是能耗，因為 人工照明變成能量帳單的最大部分之一。每當多個可控的和可能地可移 動的或光束模式可配置的發光體被集成在照明基礎設施中時，照明控制 或照明管理系統的任務之一是確定將要施加到發光體的設置，從而實現 希望的照度分布。而且，照明系統的最終能耗應當不會不必要地變高。
為了配置照明系統，照明CAD(計算才幾輔助設計)和可—見化工具可 以用于獲得光場景的真實感可視化。因此，通過(引導的)反復試驗法， 可以仿真場景中燈的設置的不同組合，直到實現在多個工作表面上的類 似于預期目標的照度分布。每當考慮以大量的可控自由度連同數量增加 的目標工作表面為特征的照明裝置時，則該方法變得難以工作。其原因
是，對于這種情況，要被試驗的可能組合的數量呈指數增長。而且，這 樣的工具要求所考慮的房間的幾何結構和布局作為系統的輸入，例如在
缺乏建筑的平面圖的情況下，或特別地每當考慮可移動燈具或集成了旋 轉元件的燈具時，這可能是要做的一項十分繁重的工作。另一方面，這 樣的工具中很少能夠幫助處理能量效率/管理方面。
目前，所謂的"智能"照明控制系統能夠迭代地調節由燈具再現的光 照水平，直到實現在多個工作表面上的類似于期望的目標的照度分布和 最小功耗。而且，與現有方法(即基于CAD的方法)不同，對于這種 情況，不需要給出幾何結構信息作為系統的輸入。然而，這種系統依賴 于永久地部署在所述工作表面的多個點處的照度傳感器。如果所考慮的 工作表面在物理上存在，則部署可能或多或少地可工作，但是對于虛擬 的工作表面，它也可能不可用。即使實踐上可行，根據在可用的自由度 方面的照明系統的復雜性，這樣的實時系統也可能需要很長時間收斂到一定解，因為所述迭代必須足夠慢地執行或以足夠小的照明步長執行，
從而使得房間中的人們的視覺不太受到由控制器帶來的設置方面的改
變的干擾。
本發明的目的是提供改進的照明系統。
這個目的通過獨立權利要求實現。從屬權利要求示出了其他的實施例。
本發明的基本思想是自動計算照明系統的配置設置的接近的估 計，特別是在缺乏日光的情況下該照明系統需要這種估計來讓安裝的照 明設備再現指定的照度分布。此外，可以做出規定，使得浪費的能量保 持最小值。
根據本發明的實施例，預期照明的規范可以包括在工作表面處的給 定參考測量點處的預期的數值。根據本發明其他實施例，還可以指定在 每個參考測量點處的值的范圍而不是特定的值，從而進 一 步增強照明系 統。此外，本發明的實施例可以包括最大-最小照度比的約束條件，該最 大-最小照度比指示了在給定表面上照明分布的均勻性。
通過本發明，可以克服由照明CAD工具和照明控制系統所施加的 至少一些限制。特別地，本發明的實施例允許自動地確定和輸入要被照 明的房間或空間的所需的幾何結構信息。本發明的其他實施例允許自動 地確定和輸入多個安裝的燈具的位置和取向。不需要在物理的工作表面 上部署照度檢測器，并且沒有與傳感器(如光電傳感器)相關聯的問題， 例如炫目(blinding)、數據融合、數據檢索或維護。本發明對物理工作 表面沒有限制，而是提供了額外地考慮虛擬工作表面的可能性。此外， 能耗可以被認為是獲得良好解決方案的 一個優化標準。根據本發明的照 明系統存在容易的可擴縮性和可升級性，因為附加的照明器具可以無縫 地加入到該照明系統。
下面，解釋本文所使用的一些重要術語。
術語"發光體"表示任何燈、燈具或包括例如燈和光學器件的光模 塊。發光體可以是安裝的照明設備或照明基礎設施的 一部分。
術語"工作表面"表示要被照明的真實的或虛擬的表面或位置。被照 明的工作表面限定了光場景。工作表面可以具有任何形狀，例如平面、 非平面或J求面。根據本發明的實施例，提供了計算機控制的照明系統，其包括 畫接口，其用于限定照明系統內的工作表面和該工作表面的希望的 照明；
-至少一個發光體，其用于照明所述工作表面；以及
-處理單元，其用于根據輸入參數和信息自動地計算配置參數，其 中這些配置參數允許配置所述至少一個發光體，使得可以實現對所述工 作表面的希望的照明。
所述照明系統可以為將來的光模塊做準備，所述光模塊將在調光、 燈的數量和光束定向方面提供高配置多功能性。僅僅期望靈活性增加， 并且由此所需照明控制的復雜性增加。該照明系統以關于控制任意數量 的光源的高可擴縮性為特征。這允許對場景的照度進行近乎實時的調 節。此外，它提供了照明系統和發光體的布局的容易的可升級性和容易 且用戶友好的光場景規范。這里不需要乏味冗長的數據錄入。此外，不 需要使用或部署昂貴的傳感器。
根據本發明的實施例，所述處理單元可以被配置為根據下列輸入參 數和信息中的一個或多個確定配置參數工作表面參數，其定義了照明 系統內的工作表面；照明參數，其定義了工作表面的希望的照明；位置 信息，其定義了照明系統內所述至少一個發光體的位置；以及取向信息， 其定義了照明系統內所述至少一個發光體的取向。這允許在考慮照明系 統的拓樸結構和關于工作表面的要求的條件下調節所述至少一個發光 體的配置。
根據本發明的實施例，所述接口可以被配置為允許輸入工作表面參 數和照明參數和/或從電子文件中獲取照明參數。因此，可以容易地定義 工作表面和相應的照明。該電子文件允許在照明系統之外準備、存儲或 改變照明參數。
所述接口可以被配置為提供可能的工作表面參數的選擇并且可以 被配置為允許通過從可能的工作表面參數中選擇工作表面參數來輸入 工作表面參數。可能的工作表面參數的選擇使照明系統的用戶擺脫了例
如借助于幾何坐標手動輸入工作表面參數。
所述工作表面參數可以定義工作表面的位置、尺寸和取向。因此， 用于定義工作表面的所有必需的參數可以例如由用戶輸入到照明系統中。根據本發明的實施例，所述接口可以包括用于確定所述接口相對于 照明系統中的光模塊的位置的裝置，并且可以被配置為允許輸入與用戶 接口的位置有關的至少 一個工作表面參數。這允許通過將所述接口移動 到與工作表面相關的位置來確定并定義預期的工作表面。
所述接口可以被配置為允許用戶輸入定義與用戶接口的位置有關 的取向的工作表面參數或者選擇用戶接口的位置作為球形工作表面的 中心并且選擇該球形工作表面的半徑。這允許僅通過選擇可由所述接口
提供的角度來定義工作表面在接口的位置處的取向，或者提供用于定義 球形工作表面的快速且精確的方法。
用于確定位置的裝置可以被配置為根據傳輸的信號的飛行時間測 量或相移測量來確定該位置。這樣的測量所需的收發器是便宜的并且產 生具有高分辨率和高精度的測量。
才艮據本發明的實施例，所述工作表面包括至少一個平面、非平面或 球形工作表面。這允許定義任意類型的希望的工作表面。
此外，所述工作表面可以包括多個單獨的工作表面，每個工作表面 由相應的單獨的工作表面參數和相應的單獨的照明參數定義。這允許定 義沿著多個工作表面的工作表面的照明。
根據本發明的實施例，所述接口可以是手持式計算機。用戶容易控 制手持式計算機。
根據本發明的實施例，所述至少 一 個發光體可以包括用于確定照明 系統內所述至少一個發光體的位置的裝置和用于提供該位置信息的輸 出端。這允許自動地檢測所述至少一個發光體的位置。
此外，所述至少 一個發光體可以包括用于確定照明系統內所述至少 一個發光體的取向的裝置和用于提供該取向信息的輸出端。這允許自動 地才企測所述至少一個發光體的取向。
用于確定取向的裝置可以是角位置或取向傳感器。這些傳感器對于 機器地或手動地可移動的發光體是有用的。可替代地，所述至少一個發 光體可以包括用于自動地移動所述至少一個發光體的裝置，并且其中用 于確定取向的裝置可以是合并在用于自動地移動的裝置中的角度編碼 器。該編碼器允許直接利用發光體的移動來確定取向。
根據本發明的實施例，所述至少一個發光體包括高度定向的光源以 便發射可用于確定所述至少一個發光體的取向的窄光束。這允許確定發光體的取向而無需集成在該發光體中的傳感器。該高度定向的光源(與 照相機結合使用)可以是另一種如上所述用于確定取向的裝置。
所述照明系統可以進一步包括至少 一個解碼器，其被配置為檢測用 于確定所述至少一個發光體的取向的窄光束，其中所述至少一個解碼器 可以;陂配置為提供取向信息。同樣地，這允許確定發光體的取向而無需 集成在發光體中的傳感器。
此外，所述至少一個發光體可以包括用于接收至少一個配置參數的 輸入端。這允許自動地配置該發光體。
根據本發明的實施例，所述處理單元可以包括用于接收工作表面參 數、照明參數、位置信息和取向信息的裝置。這允許該處理單元與照明 系統的設備進行通信。
此外，所述處理單元可以被配置為接收所述至少一個發光體的光度 測量數據并附加地根據該光度測量數據來計算配置參數。這允許更加精 確地計算這些配置參數。
根據本發明的實施例，所述處理單元可以被配置為通過求解非線性 數學規劃問題來計算配置參數。這允許處理單元計算甚至用于復雜照明 系統和復雜工作表面要求的配置參數。優選地，該問題可以通過最優化 來解決，因為對于大多數情況，該問題不存在精確的解。
所述處理單元可以被配置為根據逐點方法計算配置參數，所述逐點 方法估計照明系統的每個發光體對工作表面的每個部分的貢獻。
所述逐點方法可以基于下述7>式
Edes:在工作表面的選定部分處的希望的照明值的矢量(這里，使 用矢量，因為它是控制系統想要實現的"在工作表面上照度值的分布")； phij:第j個發光體的發光功率； psij:第j個發光體的搖動角度(pan angle); thetaj:笫j個發光體的傾斜角；
IJ:第j個發光體的光度測量分布； 該7>式左側可以由下式替4戈
ka卯a」ij):依賴于第j個發光體相對于第i個部分所屬的工作表面Ij:表示第_j個發光體的光度測量分布；
beta—{ij}， gamma—{ij}:局部于發光體角坐標，其值依賴于第i個
部分與第j個發光體位置之間的相對位置，其因此依賴于發光體的取向。 一旦對于一定部分選擇了發光體的搖動角和傾斜角，則可以自動地 確定又依賴于psij和thetaj的beta—(ij)和gamma—(ij)的值，4吏得下式
可以;波寫作
E力'《)
!.= i
此外，所述處理單元可以被配置為通過找出合適的光束^t式、發光 體取向和調光水平來求解下式
x^'.' 《)
使得下列函數
每(￡ —￡c,es)r(￡ — ￡des)
當受到下列約束時被最小化
0 ^ %。 0 ^《S《。
這些約束指示可以由所考慮的發光體產生的光通量、搖動和傾斜角 的范圍。
根據本發明的實施例，照明參數可以定義工作表面的希望的照明的 范圍并且所述處理單元可以被配置為計算配置參數，使得工作表面的可 實現的照明處于該范圍內。定義希望的照明的值的范圍而不是精確值允 許考慮年輕人和老年人的不同視覺性能。
根據本發明的實施例，所述處理單元可以被配置為估計所述至少一 個發光體的發光功率隨時間的降低，使得可以根據所述至少 一 個發光體 的實際發光功率計算配置參數。這允許系統補償發光體的老化。
此外，所述處理單元可以被配置為接收所述至少一個發光體的功耗
簡檔(profile)并且可以被配置為附加地根據該功耗簡檔計算配置參數，使得在工作表面的希望的照明仍然可實現的同時最小化所述至少一個 發光體的能耗。這允許所述至少一個發光體的配置在能耗方面的優化。
可以通過下式定義能耗
A"
E禱
pj:第j個發光體的功耗 phij:第j個發光體的發光功率。
根據本發明的實施例，所述處理單元可以被配置為向所述至少一個 發光體提供配置參數。這允許對所述至少一個發光體的自動配置。
此外，所述照明系統可以包括系統數據庫，其被配置為自動地收集 位置信息和取向信息并且向處理單元提供該位置信息和取向信息。這允 許存儲所述至少一個發光體的信息。
根據本發明的另 一 個實施例，提供了用于根據本發明的照明系統的 接口設備，其包括
-輸入裝置，其用于允許用戶定義照明系統內的工作表面并且定義 該工作表面的希望的照明；以及
-輸出裝置，其用于提供定義照明系統內的工作表面的工作表面參 數并且用于提供定義該工作表面的希望的照明的照明參數。
根據本發明的另 一 個實施例，提供了用于根據本發明的照明系統的 發光體，其包括
-用于照亮照明系統的工作表面的裝置；
-用于確定照明系統內發光體的位置的裝置；以及
-用于提供對應于照明系統內發光體的位置的位置信息的裝置。
根據本發明的另 一 個實施例，提供了用于根據本發明的照明系統的 處理單元，其包括
國用于接收定義照明系統內的工作表面的工作表面參數、定義該工 作表面的希望的照明的照明參數、定義照明系統內至少 一 個發光體的位 置的位置信息以及定義照明系統內所述至少一個發光體的取向的取向 信息的裝置；以及
-用于計算配置參數的裝置，所述配置參數允許將照明系統的所述
至少一個發光體配置成使得通過所述至少一個發光體可以實現工作表 面的希望的照明。根據本發明的另 一個實施例，提供了用于建立根據本發明的照明系
統的方法，其包括
-定義照明系統內的工作表面和該工作表面的希望的照明；
隱提供至少一個發光體以便照明該工作表面；以及
-計算配置參數，所述配置參數允許將所述至少一個發光體配置成
使得可以實現工作表面的希望的照明。
根據本發明的另 一 個實施例，提供了用于配置根據本發明的照明系
統的至少一個發光體的方法，其包括
-接收定義照明系統內的工作表面的工作表面參數、定義該工作表
面的希望的照明的照明參數、定義照明系統內至少 一 個發光體的位置的
位置信息以及定義照明系統內所述至少一個發光體的取向的取向信息；
以及
-計算配置參數，所述配置參數允許將照明系統的所述至少一個發 光體配置成使得通過所述至少一個發光體可以實現工作表面的希望的 照明。
根據本發明的另一個實施例，提供了計算機程序，當該程序#_計算 機執行時能夠實現根據本發明的實施例的方法。
根據本發明的另一個實施例，提供了記錄載體，其存儲根據本發明 的實施例的計算機程序。
本發明的這些和其他方面根據下面描述的實施例將是清楚明白的 并且將參照這些實施例進行闡述。
下面將參照示例性實施例更詳細地描述本發明。然而，本發明不限 于這些示例性實施例。
圖1示出了根據本發明實施例的照明系統；以及 圖2示出了根據本發明另 一 實施例的照明系統。
在下文中，功能相似或相同的元件可以具有相同的附圖標記。 圖1示出了根據本發明實施例的照明系統。該照明系統包括接口 102、至少一個發光體104a、 104b以及處理單元106。接口 102 ^皮配置 為定義照明系統內的工作表面120并且定義(或獲取)工作表面120的 希望的照明。圖1示意性地示出了兩個發光體104a、 104b。發光體104a、104b通過發射光束114a、 114b照明工作表面120。處理單元106 一皮配 置為確定配置參數，這些配置參數允許將發光體104a、 104b配置成使 得可以實現工作表面120的希望的照明。接口 102被配置為向處理單元 106提供工作空間參數和照明參數。這些工作表面參數定義了照明系統 內的工作表面120并且這些照明參數定義了工作表面120的希望的照 明。處理單元106包括用于接收工作表面參數、照明參數、位置信息和 取向信息的裝置。發光體104a、 104b被配置為向處理單元106提供位 置信息。此外，發光體104a、 104b被配置為向處理單元106提供取向 信息。可替代地，該取向信息可能已經被處理單元106知道或者已經被 其他設備(圖中未示出)提供給處理單元106。所述位置信息定義了照 明系統內每個發光體104a、 104b的位置。所述取向信息定義了照明系 統內每個發光體104a、 104b的取向。該取向還可以定義由發光體發射 的光束114a、 114b的方向。處理單元106被配置為根據接收的工作表 面參數、照明參數、位置信息和取向信息來計算配置參數。
處理單元106將所計算的配置參數直接提供給發光體104a、 104b。 可能存在提供該每個發光體的單獨的配置參數。可替代地，處理單元106 可以向用戶或其他配置設備提供配置參數，該用戶或其他配置設備可以 根據來自處理單元106的配置參數配置發光體104a、 104b。為了接收配 置參數，發光體104a、 104b包括輸入端。此外，發光體104a、 104b可 以包括用于根據接收的配置參數控制發光體104a、 104b的裝置。
對于照明系統，定義了多個單獨的工作表面。換句話說，工作表面 120可以合并多個單獨的工作表面，每個工作表面由對應的單獨的工作 表面參數和對應的單獨的照明參數來定義。處理單元106被配置為計算 配置參數，使得可以實現所有單獨的工作表面的最優照明。這些單獨的 工作表面可以具有不同的形狀和尺寸，并且可以以任何適當的方式設置 在照明系統內。
接口 102是用戶接口，其被配置為允許用戶定義工作空間和希望的 照明。用戶可以輸入工作表面參數和照明參數。可替代地，用戶可以以 任何其他的格式輸入定義工作空間和希望的照明的數據，并且接口 102 可以被配置為根據用戶輸入確定工作表面參數和照明參數。為了輸入用 戶數據，接口 102可以包括鍵盤或任何其他合適的輸入裝置。接口 102 還被配置為從由用戶提供的電子文件中獲取照明參數。此外，接口 102被配置為向用戶提供可能的工作表面參數的選擇。 因此，接口 102包括顯示器或任何合適的輸出裝置。此外，接口 102可 以被配置為允許用戶通過從可能的工作表面參數中選擇預期的工作表 面參數來輸入工作表面參數。
這些工作表面參數定義了工作表面102的位置、尺寸和取向。為了 使工作表面參數的輸入容易，接口 102包括用于確定照明系統內接口 102的位置的裝置(圖中未示出)。所述用于確定位置的裝置被配置為 根據所傳輸的信號的飛行時間測量或相移測量來確定該位置。此外，接 口 102被配置為允許用戶輸入與用戶接口 102的位置有關的至少一個工 作表面參數。接口 102進一步被配置為允許用戶輸入定義與用戶接口 102的位置有關的取向的工作表面參數。如果用戶想要輸入球形工作表 面，則接口 102可以被配置為允許用戶選擇用戶接口 102的位置作為該 球形工作表面的中心并且允許用戶選擇該球形工作表面的半徑。
該工作表面也可以包括多個單獨的工作表面，每個單獨的工作表面 由對應的單獨的工作表面參數和對應的單獨的照明參數定義。
接口 102可以是手持式計算機或提供用戶與照明系統之間的接口 102的任何其他合適的可移動或移動設備。
為了提供所述位置信息，每個發光體104a、 104b可以包括用于確 定照明系統內發光體104a、 104b的位置的裝置。此外，每個發光體104a、 104b可以包括用于提供位置信息的輸出端。為了提供所述取向信息，每 個發光體104a、 104b或發光體104a、 104b中特定的一個可以包括用于 確定照明系統內發光體104a、 104b的取向的裝置。此外，具有用于確 定取向的裝置的每個發光體104a、 104b可以包括用于提供取向信息的 輸出端。該用于確定取向的裝置可以是角位置或取向傳感器。特別地， 如果發光體104a、 104b包括用于自動地移動發光體104a、 104b的裝置， 則該用于確定取向的裝置可以是合并到該用于自動地移動的裝置中的 角編碼器。
可替代地，發光體104a、 104b可以包括用于發射窄光束的高度定 向光源，該窄光束可用于確定所述至少一個發光體104a、 104b的取向。 為了確定發光體104a、 104b的取向，所述照明系統可以包括;故配置為 檢測該窄光束并根據該窄光束確定所述取向的解碼器。該解碼器進一步 被配置為提供所述取向信息。處理單元106被實現為具有存儲器的微處理器(該存儲器包含配置 該微處理器的程序)或專用硬件，比如ASIC (專用集成電路)或(F)PGA (可編程門陣列)。獨立于實現方式，處理單元106被配置用于計算所 述配置參數。為了計算配置參數，處理單元106包括用于求解非線性數 學規劃問題的裝置(實際上，通過最優化技術計算所述參數并且實際上 不求解該方程，因為在照明系統的某些情況下該方程是不可求解的)。 該裝置可以#皮實現為專用軟件或電路。處理單元106可以被附加地配置 為根據詳細說明發光體104a、 104b的光度測量數據來計算所述配置參 數。該光度測量數據被存儲在處理單元106的存儲器中或從發光體104a、 104b接收。為了考慮發光體104a、 104b的老化，處理單元106進一步 被配置為估計發光體104a、 104b的發光功率隨時間的降低。這允許處 理單元106根據發光體104a、 104b的實際發光功率計算所述配置參數。
為了最小化照明系統的功耗，處理單元106進一步被配置為接收或 存儲發光體104a、 104b的功耗簡檔(profile)。因此，處理單元106附 加地被配置為根據該功耗簡檔來計算所述配置參數，從而使得在工作表 面120的希望的照明仍然可實現的同時最小化發光體104a、 104b的能 耗。
所述照明參數可以定義工作表面120的希望的照明的范圍。可以允 許用戶將該范圍輸入到接口 102中或者針對對應的工作空間的測量點輸 入不同的照明值。測量單元106被配置為計算所述配置參數，使得工作 表面120的可實現的照明位于指定范圍內。
圖2示出了一種照明系統，其包括用戶接口 102、增強的發光體104、 處理單元106和系統數據庫208。用戶接口 102被配置為接收關于期望 的照明和工作表面的信息，并且被進一步配置為向處理單元106提供所 接收的信息。系統數據庫208被配置為從增強的發光體104執行自動的 數據收集，并且被進一步配置為向處理單元106提供所收集的數據。處 理單元106被配置為計算并提供可用于配置增強的發光體104的數據。 與圖1所示的照明系統不同，處理單元106不能直接與增強的發光體104 進行通信。
如圖2所示，所述照明系統合并了高級發光體104，其可以通過嵌 入的3D位置和取向估計系統而覺知位置并且當需要時也覺知取向。該 照明系統進一步合并了覺知位置的、容易使用的用戶接口 102,其可以用于確定定義光場景的工作表面的幾何結構、位置、取向和尺寸。該照
明系統進一步包括處理單元106或多個處理單元，其計算適合于預期的 照明的配置設置。處理單元106可以凈皮配置為例如根據/人系統的發光體 104中獲得的光度測量數據(例如發光強度分布)、根據與發射的光通 量或發光體104的配置參數有關的特征曲線或表格以及根據可以由照明 設備的制造商提供的、從監控燈具建立的或通過借助于附加的測量設備 進行的測量而得到的功耗信息來計算配置設置。所述照明系統進一步合 并了允許與發光體104相關聯的數據從定位系統和本地數據庫傳輸到處 理單元106或多個單元。所述照明系統進一步合并了照明系統的關于布 局和新的光單元的容易的可擴縮性和可升級性。
所述照明系統可以是集成到光管理系統的高級照明控制子系統。本 發明的方法自動地確定所需照明基礎設施的設置以匹配在多個工作平 面上的最接近的期望的照明分布，同時使得能耗最小化。
本發明的方法包含一系列算法、元件和工具，這允許用戶容易地規 定希望的照明場景、所需信息的自主獲取和處理以及設置的計算。用戶 接口 102用于定義希望的照度分布以及實際的或真實的工作表面，在該 表面上將會實現希望的照度分布。嵌入的自動試運行(commission)機 構確定發光體104相對于現有工作表面的位置和空間取向。每當需要時， 從發光體104獲得光度測量和能量管理信息，并且最后處理單元106應 用若干過程以計算合適的設置。
所述照明系統可以進 一 步包括用于位置估計和取向估計的自動試 運行工具。應當知道所述工作表面相對于系統中的發光體104的位置和 取向。發光體104可以自己覺知它們的位置和取向。可以以幾種已知的 方式來實現自我位置覺知。對于位置估計，可以合并使用超聲波測量兩 個收發器之間的飛行時間和/或相移的3D位置估計系統。多邊技術 (multi-lateration technique)的應用允許確定參考收發器與發光體中的 那些收發器之間的相對位置。例如，收發器可以嵌入在發光體中。該多 邊技術可以使用位于與基礎坐標系統相關聯的已知的、非對準的參考點 處的三個或更多參考收發器。超過三個的收發器允許由于測量噪聲引起 的糾錯，因為它導致超定方程系統。超聲波收發器十分便宜并且產生具 有高分辨率和良好精度的測量。可替代地，可以使用任何其他合適的收 發器或定位技術。可以道過依賴于發光體104的類型的不同方式來實現取向估計。不同類型的發光體104可以合并到照明系統中。
可以通過電機或類似物搖動或傾斜的發光體104通常合并了角編碼 器或類似的系統，其直接允許確定這樣的可移動發光體104的空間取向。 對于那些只能手動地移動的發光體104,可以通過可用的角位置或取向 傳感器來實現空間取向覺知。若干可替代設備可用于執行這種測量，例 如以慣性設備為特征的傳感器(比如加速計和陀螺儀)、應用偏振射頻 照明器和多個波導的檢測器或者采用光學方法的檢測器。角位置或取向 傳感器可以容易地例如以集成電路的形式集成到發光體104中。
基于光學的取向估計方法要求發光體104集成窄光束(即高度定向 的)光源，如LED或激光筆(laser pointer)。此外，它們需要窄束光 源與檢測器之間的視線，其由于部署檢測器的需要妨礙了該解決方案的 可工作性，或者改為需要使用照相機。如果照相機用在房間中，則它們 可以用于在一個參考表面上追蹤由內建的高度定向創建的照明的區域 (點)，并且為其拍攝照片。由于窄束光源、照相機和被觀察的表面的 位置是系統已知的，所以發光體的取向可以直接通過初等幾何確定。通 過使用多個照相機可以實現進一步的精度。而且，當多個照相機可用時， 也可以應用攝影測量技術來獲得關于安裝的發光體的進一步的幾何結 構(位置/取向)信息，所述攝影測量技術允許根據照片確定物理坐標。
一旦被確定(在光模塊水平上局部地或通過先前的存儲器全局地)， 所述位置和空間取向信息將通過任何便利的載波通信技術(如果需要的 話)傳輸到中央處理單元或若干個處理單元(如果以分布式的方式執行 處理)。系統還需要知道其上再現照明分布的工作空間的尺寸、位置和 形狀。為此目的，系統包括用戶接口 102,其例如可以通過運行合適軟 件的手持式計算機實現，該接口允許用戶輸入工作表面的位置、尺寸和 取向。這種便攜式用戶接口 102也可以在參考點使用用于發光體104的 位置估計的超聲波收發器以便確定其位置并且向用戶提供工作表面的 可感測位置的取向選項的選擇，從而使得用戶不需要手動輸入幾何坐 標，而是可以僅僅選擇取向(例如水平的、X度傾斜的或垂直的工作表 面)并JU俞入該表面的尺寸。
而且，接口 102i殳備還應該允許對不平坦的工作表面進朽^見范。一 個實例可以是要被定義在人體模型周圍以便指定人體模型上希望的照 明分布的圓柱形工作表面的規范。系統關于手持式設備的位置的知識可以用于向用戶提供關于這種表面的旋轉軸的取向的若干選項。同樣，可 以定義球形工作表面，其中以手持式設備的位置為其中心，同時菜單允
許選擇想要的半徑。由于用戶接口 102覺知其位置，所以它相對于例如 房間地板的高度是已知。這可以用于限制例如所定義的球形工作表面的 半徑或者用戶可以選擇的圓柱形工作表面的高度。
手持式接口 102設備還可以從合適的格式的電子文件中獲得指定在 每個定義的工作表面上用戶所期望的照明分布的數據。 一旦系統知道工 作表面的尺寸、幾何結構和位置以及發光體104的位置和取向，則該信 息通過任何適當的載波通信技術傳輸到基于處理器的處理單元以便計 算最優照明控制值。該處理單元將計算適合于安裝的照明系統和由用戶 作為輸入給定的照明分布的照明系統配置。
為了執行所述計算，該系統可能需要安裝的燈具的一些光度測量數 據，例如遠場發光強度的分布的集合，其與發光體104所用的燈和光學 器件關聯。制造商通常提供這種光度測量數據，但是它們也可以優化地 存儲在照明單元中并且在初始化期間被系統的計算元件讀取。
可以在工作表面上選擇若干參考測量點，其可以作為系統的輸入而 給出。可以例如通過使用均勻的采樣網格來選擇這些參考測量點。假設 在這些參考測量點處的希望的照度值(單位Lux)(即期望的照明分布) 是已知的并且作為系統的輸入例如以數字陣列的形式給出。
所述照明系統可以進一步包括數據庫或合并的檢測器，從而使得還 可以通過計算來估計并考慮發光功率隨時間的下降。該數據庫可以由制 造商提供的統計測量構成。可替代地，合并的檢測器可以直接監控發光 體104。
可以應用"逐點"照明方法以根據對所述網格的每個點的照明來估 計每個發光體的貢獻。這種方法使用了已經由處理單元收集幾何的和地 理的輸入。該逐點方法的應用通常產生下面的非線性方程系統
其中，方程右側的列矢量表示在不同工作表面的測量點處的希望的 照明值。關于未知變量
phij表示第j個燈的光通量或發光功率；
psij和thetaj分別表示第j個燈的搖動角和傾斜角；IJ表示第j個發光體的光度測量分布。
IJ僅在該發光體可以生成不止一個光度測量分布或光束模式的情 況下是未知的。
僅在照明系統中的所有發光體104是固定的并且它們的關聯三維發 光強度分布(所謂的光度測量分布)是唯一的，即發光體沒有生成多個 光束模式和旋轉體的情況下，關聯的方程系統是線性的并且光通量是唯 一要被計算的未知數。
關于該方程的左側，需要回想的是，疊加原理適用于光。因此，并 且考慮"逐點"照明方法的定義，第i個方程實際上應當如下
kappa— {ij}的值依賴于第j個燈相對于第i個測量點所屬的工作表面 的相對位置，IJ表示第j個發光體的光度測量分布，而beta—(ij)和 gamma一(ij)局部于發光體角坐標，其值依賴于第i個測量點與第j個燈 位置之間的相對位置，其因此依賴于發光體的取向。
由于發光體104和工作表面上的測量點關于由參考超聲波收發器所 處的點定義的坐標系的絕對坐標和取向參數通常是已知的，因而可以從 所述絕對坐標和取向參數直接計算所述相對位置。因此， 一旦選定了測 量點、燈(發光體)的搖動和傾斜角，那么可以自動地確定又依賴于psij 和thetaj的beta」ij)和gamma」ij)的值。因此，現有表達式可以寫為
該問題的解要求找到合適的光束模式、發光體取向和調光水平，從 而下面的目標函數
當滿足下述約束時被最小化
這些約束指示可以由所考慮的照明單元產生的光通量、搖動和傾斜 角的范圍。如果系統允許例如通過由廠商提供的統計量估計或者例如通 過監控燈的傳感器測量發光功率隨時間的降低，從而可以可靠地估計phi_{j, O)的值，并且因此該系統可以補償燈的老化，那么可以實現更加 有效的結果。
根據所提出的公式， 一旦已經計算出數值解，那么所述搖動和傾斜 角可立即獲得，而將被饋送到發光體104以最優地再現由矢量E—{des} 描述的希望的照明分布的其余配置參數可以容易地從所計算的光通量 值(phij)反向計算。例如，如果調光值是附加的配置參數，那么它們 可以直接從光通量-調光值特征曲線確定，如上所述該曲線也是該系統可 用的數據集合的一部分。
為了考慮計算最優解的能耗，所述公式可以被擴展，因為針對這種 情況將同時處理兩個而不是一個目標函數。 一方面， 一個目標函數用于 評 <介照明與期望的照明分布的不匹配，
而另一方面， 一個目標函數將來自發光體104集合的功耗求和
乂=1
如針對最簡單的前述情況所示，照明是系統中的發光體104的配置 和取向的函數。通常，功耗僅僅依賴于光通量。因此，通過采取公知的 技術，可以在Pareto意義上求解關聯的多準則最優化問題。根據較早提 出的公式，通過考慮發光體104取向的若干離散角度值，也可以將該問 題表示為組合規劃問題。可以通過使用稱為遺傳算法的最優化技術來自 然地處理這種組合的和多目標的最優化。搖動和傾斜角的離散值的選擇 不應該是導出合適解的主要障礙，因為不管怎樣高度精確的角度值可能 是無意義的。
同樣，與光度測量數據相似，假設與系統的發光體104相關聯的功 耗簡檔由廠商提供并且可能本地存儲在嵌入到發光體內的數據庫中，只 要需要就可以從該數據庫中獲取該簡檔或者通過可能的嵌入式測量設 備獲取。
一旦處理單元已經確定了合適的配置設置，那么其到要被饋送到驅 動發光體104的照明控制系統的合適的控制命令的轉換可以是直接的。
最后，應當注意的是，期望的照明分布還可以按照范圍而不是使用 特定的標量值來指定。例如，為了考慮年輕人和老年人的不同的視覺性能，使用范圍指定目標分布顯得很方便。為了考慮這樣的規范，應該相 應地修改評價來自希望的照明的發散性的目標函數。因此，如果對特定
測量第i個點照度范圍已經定義為乂人E_{i, min)到E2—{i, MAX},那么如 果
處于范圍內，則下面逐分量考慮的關聯的目標函數等于零，否則得
到
作為懲罰。
類似地，多目標方法還允許通過加入合適的附加懲罰目標函數而指 定在一個工作表面處的照明分布的最大-最小均勻比。
總之，本發明涉及照明控制系統，其包括光模塊、用戶接口 102、 數據庫和處理單元。在該系統中，不需要傳感器。照明分布被映射到照 明控制命令上以用于再現照明分布。重點在于如何確定燈參數和如何自 動設置所有可用的燈。可以實現自動場景設置。由于自動部分的原因， 該系統可以基于效果而不是基于燈進行控制。
本文描述的發明可以應用于室內照明基礎設施的自動配置和控制 以在不同的選定工作表面處重現一個或多個照度或照明分布，而不管照 明系統中所包含的燈或自由度的數量。
因此，本發明可以被認為是用于高度復雜和多功能裝置的照明管理 系統的一部分。
此外，本發明可以是另一個用于關于彩色光場景的自動光場景再現 的高級照明控制解決方案的理想的補充。
所描述的照明系統或所描述的用于照明系統的裝置可以包括不同 實施例的元件。所示的實施例被示例性地選擇。
本發明的至少一些功能可以通過硬件或軟件實現。在用軟件實現的
的^個或多個i法。 /V 、 、 ^
應當指出的是，措詞"包括"不排除其他的元件或步驟，并且措詞 "一"或"一個"不排除多個。此外，權利要求中的任何附圖標記不應當 被解釋為限制了本發明的范圍。
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權利要求
1.一種計算機控制的照明系統，包括-接口(102)，其用于限定照明系統內的工作表面(120)和該工作表面(120)的希望的照明；-至少一個發光體(104；104a，104b)，其用于照明工作表面(120)；以及-處理單元(106)，其用于根據輸入參數和信息自動地計算配置參數，其中這些配置參數允許配置所述至少一個發光體(104；104a，104b)，使得能夠實現對所述工作表面(120)的希望的照明。
2. 權利要求1的照明系統，其中所述處理單元(106)被配置為根 據下列輸入參數和信息中的 一個或多個確定配置參數工作表面參數， 其定義了照明系統內的工作表面(120);照明參數，其定義了工作表 面(120)的希望的照明；位置信息，其定義了照明系統內所述至少一 個發光體(104; 104a, 104b)的位置；以及取向信息，其定義了照明 系統內所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)的取向。
3. 權利要求2的照明系統，其中所述接口 (102)被配置為允許輸 入工作表面參數和照明參數和/或從電子文件中獲取照明參數。
4. 權利要求3的照明系統，其中所述接口 (102)被配置為提供可 能的工作表面參數的選擇并且被配置為允許通過從所述可能的工作表 面參數中選擇工作表面參數來輸入工作表面參數。
5. 權利要求2-4中任一項的照明系統，其中所述工作表面參數定義 了工作表面(120)的位置、尺寸和取向。
6. 權利要求3-5中任一項的照明系統，其中所述接口 (102)包括 用于確定所述接口 (102)相對于照明系統中的光模塊的位置的裝置， 并且被配置為允許輸入與接口 (102)的位置有關的至少一個工作表面 參數。
7. 權利要求6的照明系統，其中所述接口 (102)被配置為允許輸 入定義與接口 (102)的位置有關的取向的工作表面參數或者選擇接口(102)的位置作為球形工作表面的中心并且選擇該球形工作表面的半徑。
8. 權利要求6的照明系統，其中用于確定位置的裝置被配置為根據 傳輸的信號的飛行時間測量或相移測量來確定該位置。
9. 前述權利要求中任一項的照明系統，其中所述工作表面包括至少 一個平面、非平面或球形工作表面。
10. 權利要求9的照明系統，其中所述工作表面包括多個單獨的工 作表面，每個工作表面由相應的單獨的工作表面參數和相應的單獨的照 明參數定義。
11. 權利要求2-10中任一項的照明系統，其中所述至少一個發光體 (104; 104a, 104b )包括用于確定照明系統內所述至少一個發光體(104;104a， 104b)的位置的裝置和用于提供該位置信息的輸出端。
12. 權利要求2-11中任一項的照明系統，所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)包括用于確定照明系統內所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)的取向的裝置和用于提供該取向信息的輸出端。
13. 權利要求12的照明系統，其中用于確定取向的裝置是角位置或 取向傳感器，或者其中所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)包括 用于自動地移動所述至少一個發光體(104; 104a， 104b)的裝置，并 且用于確定取向的裝置是合并在用于自動地移動的裝置中的角度編碼 器。
14. 權利要求2-13中任一項的照明系統，其中所述至少一個發光體 (104; 104a， 104b)包括高度定向的光源以便發射可用于確定所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)的取向的窄光束。
15. 權利要求14的照明系統，進一步包括至少一個解碼器，所述解 碼器被配置為檢測用于確定所述至少一個發光體(104; 104a, 104b) 的取向的窄光束，其中所述至少一個解碼器被配置為提供取向信息。
16. 前述權利要求中任一項的照明系統，其中所述至少一個發光體 (104; 104a, 104b)包括用于接收至少一個配置參數的輸入端。
17. 權利要求2-16中任一項的照明系統，其中所述處理單元(106) 包括用于接收工作表面參數、照明參數、位置信息和取向信息的裝置。
18. 根據權利要求2-17之一的照明系統，其中所述處理單元(106) 被配置為接收所述至少一個發光體(104; 104a， 104b)的光度測量數 據并且附加地根據該光度測量數據來計算配置參數。
19. 前述權利要求中任一項的照明系統，其中所述處理單元(106) 被配置為通過求解非線性數學規劃問題來計算配置參數。
20. 權利要求2-19中任一項的照明系統，其中所述處理單元(106)被配置為根據逐點方法計算配置參數，所述逐點方法估計照明系統的每個發光體(104; 104a, 104b)對工作表面(120)的每個部分的貢獻。
21. 權利要求20的照明系統，其中所述逐點方法基于下述公式<formula>formula see original document page 4</formula>Edes:在工作表面的選定部分處希望的照明值的矢量； phij:第j個發光體的發光功率；psij:第j個發光體的搖動角度； theta J:第j個發光體的傾斜角； IJ:第j個發光體的光度測量分布。
22. 權利要求21的照明系統，其中所述公式左側可以由下式替代!.= 1kappa—{ij}:依賴于第j個發光體相對于第i個部分所屬的工作表面 的相對位置；IJ:表示第j個發光體的光度測量分布；beta—{ij}, gamma{ij}:局部于發光體角坐標，所述值依賴于第i個 部分與第j個發光體位置之間的相對位置，其因此依賴于發光體的取向。
23. 權利要求22的照明系統，其中一旦對于一定部分選擇了發光體 (104; 104a， 104b )的搖動角和傾斜角，則自動地確定又依賴于psij和theta J的beta— {ij}和gamma— {ij}的值，使得權利要求26的項可以被 寫作E-廠
24. 權利要求23的照明系統，其中所述處理單元(106)被配置為 通過找出合適的光束模式、發光體(104; 104a, 104b)取向和調光水 平來求解權利要求23的項，使得下列函數蓋(五一Ed")、五一當其受到下列約束時被最小化<formula>formula see original document page 4</formula>這些約束指示可以由所考慮的發光體(104; 104a， 104b)產生的 光通量、搖動和傾斜角的范圍。
25. 權利要求2-24中任一項的照明系統，其中所述照明參數定義了 工作表面(120)的希望的照明的范圍并且所述處理單元(106)被配置 為計算配置參數，使得工作表面(120)的可實現的照明處于該范圍內。
26. 前述權利要求中任一項的照明系統，其中所述處理單元(106) 被配置為估計所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)的發光功率隨 時間的降^f氐，使得可以根據所述至少一個發光體(104; 104a, 104b) 的實際發光功率確定配置參數。
27. 權利要求2-26中任一項的照明系統，其中所述處理單元(106) -故配置為接收所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)的功耗簡檔并 且被配置為附加地根據該功耗簡檔計算配置參數，使得在工作表面(120)的希望的照明仍然可實現的同時最小化所述至少一個發光體 (104; 104a, 104b)的能耗。
28. 權利要求27的照明系統，其中通過下式定義能耗/\〃E禱pj:第j個發光體的功耗 phij:第j個發光體的發光功率。
29. 前述權利要求中任一項的照明系統，其中所述處理單元(106) 被配置為向所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)提供配置參數。
30. 權利要求2-29中任一項的照明系統，進一步包括系統數據庫， 該系統數據庫被配置為自動地收集位置信息和取向信息并且向處理單 元(106)提供該位置信息和取向信息。
31. —種用于權利要求1-30中任一項的照明系統的接口 (102)設 備，包括-輸入裝置，其用于允許用戶定義照明系統內的工作表面(120)并 且定義該工作表面(120)的希望的照明；以及-輸出裝置，其用于提供定義照明系統內的工作表面(120)的工作 表面參數并且用于提供定義該工作表面(120)的希望的照明的照明參數。
32. —種用于權利要求1-30中任一項的照明系統的發光體(104;104a, 104b),包括-用于照亮照明系統的工作表面(120)的裝置；-用于確定照明系統內發光體(104; 104a, 104b)的位置的裝置；以及-用于提供對應于照明系統內發光體(104; 104a， 104b)的位置的 位置信息的裝置。
33. —種用于權利要求1-30中任一項的照明系統的處理單元(106 )， 包括-用于接收定義照明系統內的工作表面(102)的工作表面參數、定 義該工作表面(120)的希望的照明的照明參數、定義照明系統內至少 一個發光體(104; 104a, 104b )的位置的位置信息以及定義照明系統 內所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)的取向的取向信息的裝置； 以及-用于計算配置參數的裝置，所述配置參數允許將照明系統的所述 至少一個發光體(104; 104a, 104b)配置成使得通過所述至少一個發 光體(104; 104a， 104b)可以實現工作表面(120)的希望的照明。
34. —種用于配置權利要求1 -30中任一項的照明系統的方法，包括 -定義照明系統內的工作表面(120)和該工作表面(120)的希望的照明；-提供至少一個發光體(104; 104a, 104b )以用于照明該工作表面 (120);以及-計算配置參數，所述配置參數允許將所述至少一個發光體(104; 104a， 104b)配置成使得可以實現工作表面(120)的希望的照明。
35. —種用于配置權利要求1-30中任一項的照明系統的至少一個發 光體(104; 104a, 104b)的方法，包括國接收定義照明系統內的工作表面(120)的工作表面參數、定義該 工作表面(120)的希望的照明的照明參數、定義照明系統內所述至少 一個發光體(104; 104a, 104b )的位置的位置信息以及定義照明系統 內所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)的取向的取向信息；以及-計算配置參數，所述配置參數允許將照明系統的所述至少一個發 光體(104; 104a, 104b)配置成使得通過所述至少一個發光體(104; 104a, 104b)可以實現工作表面(120)的希望的照明。
36. —種計算機程序，當該程序被計算機執行時能夠實現根據權利要求34或35的方法。
37. —種記錄載體，存儲根據權利要求36的計算機程序。
全文摘要
本發明涉及計算機控制的照明系統，其包括接口(102)，其用于定義照明系統內的工作表面(120)和工作表面(120)的希望的照明；至少一個發光體(104a，104b)，其用于照明工作表面(120)；以及處理單元(106)，其用于自動地計算配置參數，所述配置參數允許將所述至少一個發光體(104a，104b)配置成使得可以實現工作表面(120)的希望的照明。
文檔編號H05B37/02GK101622910SQ200880006828
公開日2010年1月6日 申請日期2008年2月26日 優先權日2007年3月1日
發明者D·V·R·范恩格倫, M·溫特, S·E·博勒科里巴斯, V·舒爾滋 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司