CN101622910A - 计算机控制的照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机控制的照明系统，其包括：接口(102)，其用于定义照明系统内的工作表面(120)和工作表面(120)的希望的照明；至少一个发光体(104a，104b)，其用于照明工作表面(120)；以及处理单元(106)，其用于自动地计算配置参数，所述配置参数允许将所述至少一个发光体(104a，104b)配置成使得可以实现工作表面(120)的希望的照明。

Description

计算机控制的照明系统

本发明总体涉及计算机控制的照明系统，并且特别地涉及自动配置照明系统以实现对工作表面的希望的照明。

照明系统的主要目标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。照明技术已经发展到灯具可以单独地驱动它们的输出光照水平的程度。通过这种方式，用户具有增强的控制以实现希望的工作表面的必要的照度。人工照明的另一个非常相关的方面是能耗，因为人工照明变成能量帐单的最大部分之一。每当多个可控的和可能地可移动的或光束模式可配置的发光体被集成在照明基础设施中时，照明控制或照明管理系统的任务之一是确定将要施加到发光体的设置，从而实现希望的照度分布。而且，照明系统的最终能耗应当不会不必要地变高。

为了配置照明系统，照明CAD(计算机辅助设计)和可视化工具可以用于获得光场景的真实感可视化。因此，通过(引导的)反复试验法，可以仿真场景中灯的设置的不同组合，直到实现在多个工作表面上的类似于预期目标的照度分布。每当考虑以大量的可控自由度连同数量增加的目标工作表面为特征的照明装置时，则该方法变得难以工作。其原因是，对于这种情况，要被试验的可能组合的数量呈指数增长。而且，这样的工具要求所考虑的房间的几何结构和布局作为系统的输入，例如在缺乏建筑的平面图的情况下，或特别地每当考虑可移动灯具或集成了旋转元件的灯具时，这可能是要做的一项十分繁重的工作。另一方面，这样的工具中很少能够帮助处理能量效率/管理方面。

目前，所谓的“智能”照明控制系统能够迭代地调节由灯具再现的光照水平，直到实现在多个工作表面上的类似于期望的目标的照度分布和最小功耗。而且，与现有方法(即基于CAD的方法)不同，对于这种情况，不需要给出几何结构信息作为系统的输入。然而，这种系统依赖于永久地部署在所述工作表面的多个点处的照度传感器。如果所考虑的工作表面在物理上存在，则部署可能或多或少地可工作，但是对于虚拟的工作表面，它也可能不可用。即使实践上可行，根据在可用的自由度方面的照明系统的复杂性，这样的实时系统也可能需要很长时间收敛到一定解，因为所述迭代必须足够慢地执行或以足够小的照明步长执行，从而使得房间中的人们的视觉不太受到由控制器带来的设置方面的改变的干扰。

本发明的目的是提供改进的照明系统。

这个目的通过独立权利要求实现。从属权利要求示出了其他的实施例。

本发明的基本思想是：自动计算照明系统的配置设置的接近的估计，特别是在缺乏日光的情况下该照明系统需要这种估计来让安装的照明设备再现指定的照度分布。此外，可以做出规定，使得浪费的能量保持最小值。

根据本发明的实施例，预期照明的规范可以包括在工作表面处的给定参考测量点处的预期的数值。根据本发明其他实施例，还可以指定在每个参考测量点处的值的范围而不是特定的值，从而进一步增强照明系统。此外，本发明的实施例可以包括最大-最小照度比的约束条件，该最大-最小照度比指示了在给定表面上照明分布的均匀性。

通过本发明，可以克服由照明CAD工具和照明控制系统所施加的至少一些限制。特别地，本发明的实施例允许自动地确定和输入要被照明的房间或空间的所需的几何结构信息。本发明的其他实施例允许自动地确定和输入多个安装的灯具的位置和取向。不需要在物理的工作表面上部署照度检测器，并且没有与传感器(如光电传感器)相关联的问题，例如炫目(blinding)、数据融合、数据检索或维护。本发明对物理工作表面没有限制，而是提供了额外地考虑虚拟工作表面的可能性。此外，能耗可以被认为是获得良好解决方案的一个优化标准。根据本发明的照明系统存在容易的可扩缩性和可升级性，因为附加的照明器具可以无缝地加入到该照明系统。

下面，解释本文所使用的一些重要术语。

术语“发光体”表示任何灯、灯具或包括例如灯和光学器件的光模块。发光体可以是安装的照明设备或照明基础设施的一部分。

术语“工作表面”表示要被照明的真实的或虚拟的表面或位置。被照明的工作表面限定了光场景。工作表面可以具有任何形状，例如平面、非平面或球面。

根据本发明的实施例，提供了计算机控制的照明系统，其包括：

-接口，其用于限定照明系统内的工作表面和该工作表面的希望的照明；

-至少一个发光体，其用于照明所述工作表面；以及

-处理单元，其用于根据输入参数和信息自动地计算配置参数，其中这些配置参数允许配置所述至少一个发光体，使得可以实现对所述工作表面的希望的照明。

所述照明系统可以为将来的光模块做准备，所述光模块将在调光、灯的数量和光束定向方面提供高配置多功能性。仅仅期望灵活性增加，并且由此所需照明控制的复杂性增加。该照明系统以关于控制任意数量的光源的高可扩缩性为特征。这允许对场景的照度进行近乎实时的调节。此外，它提供了照明系统和发光体的布局的容易的可升级性和容易且用户友好的光场景规范。这里不需要乏味冗长的数据录入。此外，不需要使用或部署昂贵的传感器。

根据本发明的实施例，所述处理单元可以被配置为根据下列输入参数和信息中的一个或多个确定配置参数：工作表面参数，其定义了照明系统内的工作表面；照明参数，其定义了工作表面的希望的照明；位置信息，其定义了照明系统内所述至少一个发光体的位置；以及取向信息，其定义了照明系统内所述至少一个发光体的取向。这允许在考虑照明系统的拓扑结构和关于工作表面的要求的条件下调节所述至少一个发光体的配置。

根据本发明的实施例，所述接口可以被配置为允许输入工作表面参数和照明参数和/或从电子文件中获取照明参数。因此，可以容易地定义工作表面和相应的照明。该电子文件允许在照明系统之外准备、存储或改变照明参数。

所述接口可以被配置为提供可能的工作表面参数的选择并且可以被配置为允许通过从可能的工作表面参数中选择工作表面参数来输入工作表面参数。可能的工作表面参数的选择使照明系统的用户摆脱了例如借助于几何坐标手动输入工作表面参数。

所述工作表面参数可以定义工作表面的位置、尺寸和取向。因此，用于定义工作表面的所有必需的参数可以例如由用户输入到照明系统中。

根据本发明的实施例，所述接口可以包括用于确定所述接口相对于照明系统中的光模块的位置的装置，并且可以被配置为允许输入与用户接口的位置有关的至少一个工作表面参数。这允许通过将所述接口移动到与工作表面相关的位置来确定并定义预期的工作表面。

所述接口可以被配置为允许用户输入定义与用户接口的位置有关的取向的工作表面参数或者选择用户接口的位置作为球形工作表面的中心并且选择该球形工作表面的半径。这允许仅通过选择可由所述接口提供的角度来定义工作表面在接口的位置处的取向，或者提供用于定义球形工作表面的快速且精确的方法。

用于确定位置的装置可以被配置为根据传输的信号的飞行时间测量或相移测量来确定该位置。这样的测量所需的收发器是便宜的并且产生具有高分辨率和高精度的测量。

根据本发明的实施例，所述工作表面包括至少一个平面、非平面或球形工作表面。这允许定义任意类型的希望的工作表面。

此外，所述工作表面可以包括多个单独的工作表面，每个工作表面由相应的单独的工作表面参数和相应的单独的照明参数定义。这允许定义沿着多个工作表面的工作表面的照明。

根据本发明的实施例，所述接口可以是手持式计算机。用户容易控制手持式计算机。

根据本发明的实施例，所述至少一个发光体可以包括用于确定照明系统内所述至少一个发光体的位置的装置和用于提供该位置信息的输出端。这允许自动地检测所述至少一个发光体的位置。

此外，所述至少一个发光体可以包括用于确定照明系统内所述至少一个发光体的取向的装置和用于提供该取向信息的输出端。这允许自动地检测所述至少一个发光体的取向。

用于确定取向的装置可以是角位置或取向传感器。这些传感器对于机器地或手动地可移动的发光体是有用的。可替代地，所述至少一个发光体可以包括用于自动地移动所述至少一个发光体的装置，并且其中用于确定取向的装置可以是合并在用于自动地移动的装置中的角度编码器。该编码器允许直接利用发光体的移动来确定取向。

根据本发明的实施例，所述至少一个发光体包括高度定向的光源以便发射可用于确定所述至少一个发光体的取向的窄光束。这允许确定发光体的取向而无需集成在该发光体中的传感器。该高度定向的光源(与照相机结合使用)可以是另一种如上所述用于确定取向的装置。

所述照明系统可以进一步包括至少一个解码器，其被配置为检测用于确定所述至少一个发光体的取向的窄光束，其中所述至少一个解码器可以被配置为提供取向信息。同样地，这允许确定发光体的取向而无需集成在发光体中的传感器。

此外，所述至少一个发光体可以包括用于接收至少一个配置参数的输入端。这允许自动地配置该发光体。

根据本发明的实施例，所述处理单元可以包括用于接收工作表面参数、照明参数、位置信息和取向信息的装置。这允许该处理单元与照明系统的设备进行通信。

此外，所述处理单元可以被配置为接收所述至少一个发光体的光度测量数据并附加地根据该光度测量数据来计算配置参数。这允许更加精确地计算这些配置参数。

根据本发明的实施例，所述处理单元可以被配置为通过求解非线性数学规划问题来计算配置参数。这允许处理单元计算甚至用于复杂照明系统和复杂工作表面要求的配置参数。优选地，该问题可以通过最优化来解决，因为对于大多数情况，该问题不存在精确的解。

所述处理单元可以被配置为根据逐点方法计算配置参数，所述逐点方法估计照明系统的每个发光体对工作表面的每个部分的贡献。

所述逐点方法可以基于下述公式：

E({φ_j，ψ_j，θ_j，I_j}_j＝1...N1)＝E_des

E_des：在工作表面的选定部分处的希望的照明值的矢量(这里，使用矢量，因为它是控制系统想要实现的“在工作表面上照度值的分布”)；

phi_j：第j个发光体的发光功率；

psi_j：第j个发光体的摇动角度(pan angle)；

theta_j：第j个发光体的倾斜角；

I_j：第j个发光体的光度测量分布；

该公式左侧可以由下式替代：

$\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{ij}}{I}_j({\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}})$

kappa_{ij}：依赖于第j个发光体相对于第i个部分所属的工作表面的相对位置；

I_j：表示第j个发光体的光度测量分布；

beta_{ij}，gamma_{ij}：局部于发光体角坐标，其值依赖于第i个部分与第j个发光体位置之间的相对位置，其因此依赖于发光体的取向。

一旦对于一定部分选择了发光体的摇动角和倾斜角，则可以自动地确定又依赖于psi_j和theta_j的beta_{ij}和gamma_{ij}的值，使得下式

$\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{ij}}{I}_j({\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}})$

可以被写作

$\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j\·{\mathrm{\ι}}_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\ψ}}_j,{\mathrm{\θ}}_j)$

此外，所述处理单元可以被配置为通过找出合适的光束模式、发光体取向和调光水平来求解下式

$\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j\·{\mathrm{\ι}}_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\ψ}}_j,{\mathrm{\θ}}_j)$

使得下列函数

$\frac{1}{2}{(E-E_{\mathrm{des}})}^T(E-E_{\mathrm{des}})$

当受到下列约束时被最小化：

$0\≤{\mathrm{\φ}}_j\≤{\mathrm{\φ}}_{j_0}$

$0\≤{\mathrm{\ψ}}_j\≤{\mathrm{\ψ}}_{j_0}$

$0\≤{\mathrm{\θ}}_j\≤{\mathrm{\θ}}_{j_0}$

这些约束指示可以由所考虑的发光体产生的光通量、摇动和倾斜角的范围。

根据本发明的实施例，照明参数可以定义工作表面的希望的照明的范围并且所述处理单元可以被配置为计算配置参数，使得工作表面的可实现的照明处于该范围内。定义希望的照明的值的范围而不是精确值允许考虑年轻人和老年人的不同视觉性能。

根据本发明的实施例，所述处理单元可以被配置为估计所述至少一个发光体的发光功率随时间的降低，使得可以根据所述至少一个发光体的实际发光功率计算配置参数。这允许系统补偿发光体的老化。

此外，所述处理单元可以被配置为接收所述至少一个发光体的功耗简档(profile)并且可以被配置为附加地根据该功耗简档计算配置参数，使得在工作表面的希望的照明仍然可实现的同时最小化所述至少一个发光体的能耗。这允许所述至少一个发光体的配置在能耗方面的优化。

可以通过下式定义能耗：

$\underset{j=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j\left({\mathrm{\φ}}_j\right)$

p_j：第j个发光体的功耗

phi_j：第j个发光体的发光功率。

根据本发明的实施例，所述处理单元可以被配置为向所述至少一个发光体提供配置参数。这允许对所述至少一个发光体的自动配置。

此外，所述照明系统可以包括系统数据库，其被配置为自动地收集位置信息和取向信息并且向处理单元提供该位置信息和取向信息。这允许存储所述至少一个发光体的信息。

根据本发明的另一个实施例，提供了用于根据本发明的照明系统的接口设备，其包括：

-输入装置，其用于允许用户定义照明系统内的工作表面并且定义该工作表面的希望的照明；以及

-输出装置，其用于提供定义照明系统内的工作表面的工作表面参数并且用于提供定义该工作表面的希望的照明的照明参数。

根据本发明的另一个实施例，提供了用于根据本发明的照明系统的发光体，其包括：

-用于照亮照明系统的工作表面的装置；

-用于确定照明系统内发光体的位置的装置；以及

-用于提供对应于照明系统内发光体的位置的位置信息的装置。

根据本发明的另一个实施例，提供了用于根据本发明的照明系统的处理单元，其包括：

-用于接收定义照明系统内的工作表面的工作表面参数、定义该工作表面的希望的照明的照明参数、定义照明系统内至少一个发光体的位置的位置信息以及定义照明系统内所述至少一个发光体的取向的取向信息的装置；以及

-用于计算配置参数的装置，所述配置参数允许将照明系统的所述至少一个发光体配置成使得通过所述至少一个发光体可以实现工作表面的希望的照明。

根据本发明的另一个实施例，提供了用于建立根据本发明的照明系统的方法，其包括：

-定义照明系统内的工作表面和该工作表面的希望的照明；

-提供至少一个发光体以便照明该工作表面；以及

-计算配置参数，所述配置参数允许将所述至少一个发光体配置成使得可以实现工作表面的希望的照明。

根据本发明的另一个实施例，提供了用于配置根据本发明的照明系统的至少一个发光体的方法，其包括：

-接收定义照明系统内的工作表面的工作表面参数、定义该工作表面的希望的照明的照明参数、定义照明系统内至少一个发光体的位置的位置信息以及定义照明系统内所述至少一个发光体的取向的取向信息；以及

-计算配置参数，所述配置参数允许将照明系统的所述至少一个发光体配置成使得通过所述至少一个发光体可以实现工作表面的希望的照明。

根据本发明的另一个实施例，提供了计算机程序，当该程序被计算机执行时能够实现根据本发明的实施例的方法。

根据本发明的另一个实施例，提供了记录载体，其存储根据本发明的实施例的计算机程序。

本发明的这些和其他方面根据下面描述的实施例将是清楚明白的并且将参照这些实施例进行阐述。

下面将参照示例性实施例更详细地描述本发明。然而，本发明不限于这些示例性实施例。

图1示出了根据本发明实施例的照明系统；以及

图2示出了根据本发明另一实施例的照明系统。

在下文中，功能相似或相同的元件可以具有相同的附图标记。

图1示出了根据本发明实施例的照明系统。该照明系统包括接口102、至少一个发光体104a、104b以及处理单元106。接口102被配置为定义照明系统内的工作表面120并且定义(或获取)工作表面120的希望的照明。图1示意性地示出了两个发光体104a、104b。发光体104a、104b通过发射光束114a、114b照明工作表面120。处理单元106被配置为确定配置参数，这些配置参数允许将发光体104a、104b配置成使得可以实现工作表面120的希望的照明。接口102被配置为向处理单元106提供工作空间参数和照明参数。这些工作表面参数定义了照明系统内的工作表面120并且这些照明参数定义了工作表面120的希望的照明。处理单元106包括用于接收工作表面参数、照明参数、位置信息和取向信息的装置。发光体104a、104b被配置为向处理单元106提供位置信息。此外，发光体104a、104b被配置为向处理单元106提供取向信息。可替代地，该取向信息可能已经被处理单元106知道或者已经被其他设备(图中未示出)提供给处理单元106。所述位置信息定义了照明系统内每个发光体104a、104b的位置。所述取向信息定义了照明系统内每个发光体104a、104b的取向。该取向还可以定义由发光体发射的光束114a、114b的方向。处理单元106被配置为根据接收的工作表面参数、照明参数、位置信息和取向信息来计算配置参数。

处理单元106将所计算的配置参数直接提供给发光体104a、104b。可能存在提供该每个发光体的单独的配置参数。可替代地，处理单元106可以向用户或其他配置设备提供配置参数，该用户或其他配置设备可以根据来自处理单元106的配置参数配置发光体104a、104b。为了接收配置参数，发光体104a、104b包括输入端。此外，发光体104a、104b可以包括用于根据接收的配置参数控制发光体104a、104b的装置。

对于照明系统，定义了多个单独的工作表面。换句话说，工作表面120可以合并多个单独的工作表面，每个工作表面由对应的单独的工作表面参数和对应的单独的照明参数来定义。处理单元106被配置为计算配置参数，使得可以实现所有单独的工作表面的最优照明。这些单独的工作表面可以具有不同的形状和尺寸，并且可以以任何适当的方式设置在照明系统内。

接口102是用户接口，其被配置为允许用户定义工作空间和希望的照明。用户可以输入工作表面参数和照明参数。可替代地，用户可以以任何其他的格式输入定义工作空间和希望的照明的数据，并且接口102可以被配置为根据用户输入确定工作表面参数和照明参数。为了输入用户数据，接口102可以包括键盘或任何其他合适的输入装置。接口102还被配置为从由用户提供的电子文件中获取照明参数。

此外，接口102被配置为向用户提供可能的工作表面参数的选择。因此，接口102包括显示器或任何合适的输出装置。此外，接口102可以被配置为允许用户通过从可能的工作表面参数中选择预期的工作表面参数来输入工作表面参数。

这些工作表面参数定义了工作表面102的位置、尺寸和取向。为了使工作表面参数的输入容易，接口102包括用于确定照明系统内接口102的位置的装置(图中未示出)。所述用于确定位置的装置被配置为根据所传输的信号的飞行时间测量或相移测量来确定该位置。此外，接口102被配置为允许用户输入与用户接口102的位置有关的至少一个工作表面参数。接口102进一步被配置为允许用户输入定义与用户接口102的位置有关的取向的工作表面参数。如果用户想要输入球形工作表面，则接口102可以被配置为允许用户选择用户接口102的位置作为该球形工作表面的中心并且允许用户选择该球形工作表面的半径。

该工作表面也可以包括多个单独的工作表面，每个单独的工作表面由对应的单独的工作表面参数和对应的单独的照明参数定义。

接口102可以是手持式计算机或提供用户与照明系统之间的接口102的任何其他合适的可移动或移动设备。

为了提供所述位置信息，每个发光体104a、104b可以包括用于确定照明系统内发光体104a、104b的位置的装置。此外，每个发光体104a、104b可以包括用于提供位置信息的输出端。为了提供所述取向信息，每个发光体104a、104b或发光体104a、104b中特定的一个可以包括用于确定照明系统内发光体104a、104b的取向的装置。此外，具有用于确定取向的装置的每个发光体104a、104b可以包括用于提供取向信息的输出端。该用于确定取向的装置可以是角位置或取向传感器。特别地，如果发光体104a、104b包括用于自动地移动发光体104a、104b的装置，则该用于确定取向的装置可以是合并到该用于自动地移动的装置中的角编码器。

可替代地，发光体104a、104b可以包括用于发射窄光束的高度定向光源，该窄光束可用于确定所述至少一个发光体104a、104b的取向。为了确定发光体104a、104b的取向，所述照明系统可以包括被配置为检测该窄光束并根据该窄光束确定所述取向的解码器。该解码器进一步被配置为提供所述取向信息。

处理单元106被实现为具有存储器的微处理器(该存储器包含配置该微处理器的程序)或专用硬件，比如ASIC(专用集成电路)或(F)PGA(可编程门阵列)。独立于实现方式，处理单元106被配置用于计算所述配置参数。为了计算配置参数，处理单元106包括用于求解非线性数学规划问题的装置(实际上，通过最优化技术计算所述参数并且实际上不求解该方程，因为在照明系统的某些情况下该方程是不可求解的)。该装置可以被实现为专用软件或电路。处理单元106可以被附加地配置为根据详细说明发光体104a、104b的光度测量数据来计算所述配置参数。该光度测量数据被存储在处理单元106的存储器中或从发光体104a、104b接收。为了考虑发光体104a、104b的老化，处理单元106进一步被配置为估计发光体104a、104b的发光功率随时间的降低。这允许处理单元106根据发光体104a、104b的实际发光功率计算所述配置参数。

为了最小化照明系统的功耗，处理单元106进一步被配置为接收或存储发光体104a、104b的功耗简档(profile)。因此，处理单元106附加地被配置为根据该功耗简档来计算所述配置参数，从而使得在工作表面120的希望的照明仍然可实现的同时最小化发光体104a、104b的能耗。

所述照明参数可以定义工作表面120的希望的照明的范围。可以允许用户将该范围输入到接口102中或者针对对应的工作空间的测量点输入不同的照明值。测量单元106被配置为计算所述配置参数，使得工作表面120的可实现的照明位于指定范围内。

图2示出了一种照明系统，其包括用户接口102、增强的发光体104、处理单元106和系统数据库208。用户接口102被配置为接收关于期望的照明和工作表面的信息，并且被进一步配置为向处理单元106提供所接收的信息。系统数据库208被配置为从增强的发光体104执行自动的数据收集，并且被进一步配置为向处理单元106提供所收集的数据。处理单元106被配置为计算并提供可用于配置增强的发光体104的数据。与图1所示的照明系统不同，处理单元106不能直接与增强的发光体104进行通信。

如图2所示，所述照明系统合并了高级发光体104，其可以通过嵌入的3D位置和取向估计系统而觉知位置并且当需要时也觉知取向。该照明系统进一步合并了觉知位置的、容易使用的用户接口102，其可以用于确定定义光场景的工作表面的几何结构、位置、取向和尺寸。该照明系统进一步包括处理单元106或多个处理单元，其计算适合于预期的照明的配置设置。处理单元106可以被配置为例如根据从系统的发光体104中获得的光度测量数据(例如发光强度分布)、根据与发射的光通量或发光体104的配置参数有关的特征曲线或表格以及根据可以由照明设备的制造商提供的、从监控灯具建立的或通过借助于附加的测量设备进行的测量而得到的功耗信息来计算配置设置。所述照明系统进一步合并了允许与发光体104相关联的数据从定位系统和本地数据库传输到处理单元106或多个单元。所述照明系统进一步合并了照明系统的关于布局和新的光单元的容易的可扩缩性和可升级性。

所述照明系统可以是集成到光管理系统的高级照明控制子系统。本发明的方法自动地确定所需照明基础设施的设置以匹配在多个工作平面上的最接近的期望的照明分布，同时使得能耗最小化。

本发明的方法包含一系列算法、元件和工具，这允许用户容易地规定希望的照明场景、所需信息的自主获取和处理以及设置的计算。用户接口102用于定义希望的照度分布以及实际的或真实的工作表面，在该表面上将会实现希望的照度分布。嵌入的自动试运行(commission)机构确定发光体104相对于现有工作表面的位置和空间取向。每当需要时，从发光体104获得光度测量和能量管理信息，并且最后处理单元106应用若干过程以计算合适的设置。

所述照明系统可以进一步包括用于位置估计和取向估计的自动试运行工具。应当知道所述工作表面相对于系统中的发光体104的位置和取向。发光体104可以自己觉知它们的位置和取向。可以以几种已知的方式来实现自我位置觉知。对于位置估计，可以合并使用超声波测量两个收发器之间的飞行时间和/或相移的3D位置估计系统。多边技术(multi-lateration technique)的应用允许确定参考收发器与发光体中的那些收发器之间的相对位置。例如，收发器可以嵌入在发光体中。该多边技术可以使用位于与基础坐标系统相关联的已知的、非对准的参考点处的三个或更多参考收发器。超过三个的收发器允许由于测量噪声引起的纠错，因为它导致超定方程系统。超声波收发器十分便宜并且产生具有高分辨率和良好精度的测量。可替代地，可以使用任何其他合适的收发器或定位技术。可以通过依赖于发光体104的类型的不同方式来实现取向估计。不同类型的发光体104可以合并到照明系统中。

可以通过电机或类似物摇动或倾斜的发光体104通常合并了角编码器或类似的系统，其直接允许确定这样的可移动发光体104的空间取向。对于那些只能手动地移动的发光体104，可以通过可用的角位置或取向传感器来实现空间取向觉知。若干可替代设备可用于执行这种测量，例如以惯性设备为特征的传感器(比如加速计和陀螺仪)、应用偏振射频照明器和多个波导的检测器或者采用光学方法的检测器。角位置或取向传感器可以容易地例如以集成电路的形式集成到发光体104中。

基于光学的取向估计方法要求发光体104集成窄光束(即高度定向的)光源，如LED或激光笔(laser pointer)。此外，它们需要窄束光源与检测器之间的视线，其由于部署检测器的需要妨碍了该解决方案的可工作性，或者改为需要使用照相机。如果照相机用在房间中，则它们可以用于在一个参考表面上追踪由内建的高度定向创建的照明的区域(点)，并且为其拍摄照片。由于窄束光源、照相机和被观察的表面的位置是系统已知的，所以发光体的取向可以直接通过初等几何确定。通过使用多个照相机可以实现进一步的精度。而且，当多个照相机可用时，也可以应用摄影测量技术来获得关于安装的发光体的进一步的几何结构(位置/取向)信息，所述摄影测量技术允许根据照片确定物理坐标。

一旦被确定(在光模块水平上局部地或通过先前的存储器全局地)，所述位置和空间取向信息将通过任何便利的载波通信技术(如果需要的话)传输到中央处理单元或若干个处理单元(如果以分布式的方式执行处理)。系统还需要知道其上再现照明分布的工作空间的尺寸、位置和形状。为此目的，系统包括用户接口102，其例如可以通过运行合适软件的手持式计算机实现，该接口允许用户输入工作表面的位置、尺寸和取向。这种便携式用户接口102也可以在参考点使用用于发光体104的位置估计的超声波收发器以便确定其位置并且向用户提供工作表面的可感测位置的取向选项的选择，从而使得用户不需要手动输入几何坐标，而是可以仅仅选择取向(例如水平的、X度倾斜的或垂直的工作表面)并且输入该表面的尺寸。

而且，接口102设备还应该允许对不平坦的工作表面进行规范。一个实例可以是要被定义在人体模型周围以便指定人体模型上希望的照明分布的圆柱形工作表面的规范。系统关于手持式设备的位置的知识可以用于向用户提供关于这种表面的旋转轴的取向的若干选项。同样，可以定义球形工作表面，其中以手持式设备的位置为其中心，同时菜单允许选择想要的半径。由于用户接口102觉知其位置，所以它相对于例如房间地板的高度是已知。这可以用于限制例如所定义的球形工作表面的半径或者用户可以选择的圆柱形工作表面的高度。

手持式接口102设备还可以从合适的格式的电子文件中获得指定在每个定义的工作表面上用户所期望的照明分布的数据。一旦系统知道工作表面的尺寸、几何结构和位置以及发光体104的位置和取向，则该信息通过任何适当的载波通信技术传输到基于处理器的处理单元以便计算最优照明控制值。该处理单元将计算适合于安装的照明系统和由用户作为输入给定的照明分布的照明系统配置。

为了执行所述计算，该系统可能需要安装的灯具的一些光度测量数据，例如远场发光强度的分布的集合，其与发光体104所用的灯和光学器件关联。制造商通常提供这种光度测量数据，但是它们也可以优化地存储在照明单元中并且在初始化期间被系统的计算元件读取。

可以在工作表面上选择若干参考测量点，其可以作为系统的输入而给出。可以例如通过使用均匀的采样网格来选择这些参考测量点。假设在这些参考测量点处的希望的照度值(单位Lux)(即期望的照明分布)是已知的并且作为系统的输入例如以数字阵列的形式给出。

所述照明系统可以进一步包括数据库或合并的检测器，从而使得还可以通过计算来估计并考虑发光功率随时间的下降。该数据库可以由制造商提供的统计测量构成。可替代地，合并的检测器可以直接监控发光体104。

可以应用“逐点”照明方法以根据对所述网格的每个点的照明来估计每个发光体的贡献。这种方法使用了已经由处理单元收集几何的和地理的输入。该逐点方法的应用通常产生下面的非线性方程系统：

E({φ_j，ψ_j，θ_j，I_j}_j＝1...N1)＝E_des

其中，方程右侧的列矢量表示在不同工作表面的测量点处的希望的照明值。关于未知变量：

phi_j表示第j个灯的光通量或发光功率；

psi_j和theta_j分别表示第j个灯的摇动角和倾斜角；

I_j表示第j个发光体的光度测量分布。

I_j仅在该发光体可以生成不止一个光度测量分布或光束模式的情况下是未知的。

仅在照明系统中的所有发光体104是固定的并且它们的关联三维发光强度分布(所谓的光度测量分布)是唯一的，即发光体没有生成多个光束模式和旋转体的情况下，关联的方程系统是线性的并且光通量是唯一要被计算的未知数。

关于该方程的左侧，需要回想的是，叠加原理适用于光。因此，并且考虑“逐点”照明方法的定义，第i个方程实际上应当如下：

$\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{ij}}{I}_j({\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}})$

kappa_{ij}的值依赖于第j个灯相对于第i个测量点所属的工作表面的相对位置，I_j表示第j个发光体的光度测量分布，而beta_{ij}和gamma_{ij}局部于发光体角坐标，其值依赖于第i个测量点与第j个灯位置之间的相对位置，其因此依赖于发光体的取向。

由于发光体104和工作表面上的测量点关于由参考超声波收发器所处的点定义的坐标系的绝对坐标和取向参数通常是已知的，因而可以从所述绝对坐标和取向参数直接计算所述相对位置。因此，一旦选定了测量点、灯(发光体)的摇动和倾斜角，那么可以自动地确定又依赖于psi_j和theta_j的beta_{ij}和gamma_{ij}的值。因此，现有表达式可以写为

$\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j\·{\mathrm{\ι}}_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\ψ}}_j,{\mathrm{\θ}}_j)$

该问题的解要求找到合适的光束模式、发光体取向和调光水平，从而下面的目标函数

$\frac{1}{2}{(E-E_{\mathrm{des}})}^T(E-E_{\mathrm{des}})$

当满足下述约束时被最小化：

$0\≤{\mathrm{\φ}}_j\≤{\mathrm{\φ}}_{j_0}$

$0\≤{\mathrm{\ψ}}_j\≤{\mathrm{\ψ}}_{j_0}$

$0\≤{\mathrm{\θ}}_j\≤{\mathrm{\θ}}_{j_0}$

这些约束指示可以由所考虑的照明单元产生的光通量、摇动和倾斜角的范围。如果系统允许例如通过由厂商提供的统计量估计或者例如通过监控灯的传感器测量发光功率随时间的降低，从而可以可靠地估计phi_{j，0}的值，并且因此该系统可以补偿灯的老化，那么可以实现更加有效的结果。

根据所提出的公式，一旦已经计算出数值解，那么所述摇动和倾斜角可立即获得，而将被馈送到发光体104以最优地再现由矢量E_{des}描述的希望的照明分布的其余配置参数可以容易地从所计算的光通量值(phi_j)反向计算。例如，如果调光值是附加的配置参数，那么它们可以直接从光通量-调光值特征曲线确定，如上所述该曲线也是该系统可用的数据集合的一部分。

为了考虑计算最优解的能耗，所述公式可以被扩展，因为针对这种情况将同时处理两个而不是一个目标函数。一方面，一个目标函数用于评价照明与期望的照明分布的不匹配，

$\frac{1}{2}{(E-E_{\mathrm{des}})}^T(E-E_{\mathrm{des}})$

而另一方面，一个目标函数将来自发光体104集合的功耗求和

$\underset{j=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j\left({\mathrm{\φ}}_j\right)$

如针对最简单的前述情况所示，照明是系统中的发光体104的配置和取向的函数。通常，功耗仅仅依赖于光通量。因此，通过采取公知的技术，可以在Pareto意义上求解关联的多准则最优化问题。根据较早提出的公式，通过考虑发光体104取向的若干离散角度值，也可以将该问题表示为组合规划问题。可以通过使用称为遗传算法的最优化技术来自然地处理这种组合的和多目标的最优化。摇动和倾斜角的离散值的选择不应该是导出合适解的主要障碍，因为不管怎样高度精确的角度值可能是无意义的。

同样，与光度测量数据相似，假设与系统的发光体104相关联的功耗简档由厂商提供并且可能本地存储在嵌入到发光体内的数据库中，只要需要就可以从该数据库中获取该简档或者通过可能的嵌入式测量设备获取。

一旦处理单元已经确定了合适的配置设置，那么其到要被馈送到驱动发光体104的照明控制系统的合适的控制命令的转换可以是直接的。

最后，应当注意的是，期望的照明分布还可以按照范围而不是使用特定的标量值来指定。例如，为了考虑年轻人和老年人的不同的视觉性能，使用范围指定目标分布显得很方便。为了考虑这样的规范，应该相应地修改评价来自希望的照明的发散性的目标函数。因此，如果对特定测量第i个点照度范围已经定义为从E_{i，min}到E2_{i，MAX}，那么如果

$\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j\·{\mathrm{\ι}}_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\ψ}}_j,{\mathrm{\θ}}_j)$

处于范围内，则下面逐分量考虑的关联的目标函数等于零，否则得到

$\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j{\mathrm{\ι}}_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\ψ}}_j,{\mathrm{\θ}}_j)-\frac{1}{2}\·(E_{i,\min }+E_{i,\mathrm{MAX}})$

作为惩罚。

类似地，多目标方法还允许通过加入合适的附加惩罚目标函数而指定在一个工作表面处的照明分布的最大-最小均匀比。

总之，本发明涉及照明控制系统，其包括光模块、用户接口102、数据库和处理单元。在该系统中，不需要传感器。照明分布被映射到照明控制命令上以用于再现照明分布。重点在于如何确定灯参数和如何自动设置所有可用的灯。可以实现自动场景设置。由于自动部分的原因，该系统可以基于效果而不是基于灯进行控制。

本文描述的发明可以应用于室内照明基础设施的自动配置和控制以在不同的选定工作表面处重现一个或多个照度或照明分布，而不管照明系统中所包含的灯或自由度的数量。

因此，本发明可以被认为是用于高度复杂和多功能装置的照明管理系统的一部分。

此外，本发明可以是另一个用于关于彩色光场景的自动光场景再现的高级照明控制解决方案的理想的补充。

所描述的照明系统或所描述的用于照明系统的装置可以包括不同实施例的元件。所示的实施例被示例性地选择。

本发明的至少一些功能可以通过硬件或软件实现。在用软件实现的情况下，单个或多个标准微处理器或微控制器可以用于处理实现本发明的单个或多个算法。

应当指出的是，措词“包括”不排除其他的元件或步骤，并且措词“一”或“一个”不排除多个。此外，权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制了本发明的范围。

Claims (37)

1.一种计算机控制的照明系统，包括：

-接口(102)，其用于限定照明系统内的工作表面(120)和该工作表面(120)的希望的照明；

-至少一个发光体(104；104a，104b)，其用于照明工作表面(120)；以及

-处理单元(106)，其用于根据输入参数和信息自动地计算配置参数，其中这些配置参数允许配置所述至少一个发光体(104；104a，104b)，使得能够实现对所述工作表面(120)的希望的照明。

2.权利要求1的照明系统，其中所述处理单元(106)被配置为根据下列输入参数和信息中的一个或多个确定配置参数：工作表面参数，其定义了照明系统内的工作表面(120)；照明参数，其定义了工作表面(120)的希望的照明；位置信息，其定义了照明系统内所述至少一个发光体(104；104a，104b)的位置；以及取向信息，其定义了照明系统内所述至少一个发光体(104；104a，104b)的取向。

3.权利要求2的照明系统，其中所述接口(102)被配置为允许输入工作表面参数和照明参数和/或从电子文件中获取照明参数。

4.权利要求3的照明系统，其中所述接口(102)被配置为提供可能的工作表面参数的选择并且被配置为允许通过从所述可能的工作表面参数中选择工作表面参数来输入工作表面参数。

5.权利要求2-4中任一项的照明系统，其中所述工作表面参数定义了工作表面(120)的位置、尺寸和取向。

6.权利要求3-5中任一项的照明系统，其中所述接口(102)包括用于确定所述接口(102)相对于照明系统中的光模块的位置的装置，并且被配置为允许输入与接口(102)的位置有关的至少一个工作表面参数。

7.权利要求6的照明系统，其中所述接口(102)被配置为允许输入定义与接口(102)的位置有关的取向的工作表面参数或者选择接口(102)的位置作为球形工作表面的中心并且选择该球形工作表面的半径。

8.权利要求6的照明系统，其中用于确定位置的装置被配置为根据传输的信号的飞行时间测量或相移测量来确定该位置。

9.前述权利要求中任一项的照明系统，其中所述工作表面包括至少一个平面、非平面或球形工作表面。

10.权利要求9的照明系统，其中所述工作表面包括多个单独的工作表面，每个工作表面由相应的单独的工作表面参数和相应的单独的照明参数定义。

11.权利要求2-10中任一项的照明系统，其中所述至少一个发光体(104；104a，104b)包括用于确定照明系统内所述至少一个发光体(104；104a，104b)的位置的装置和用于提供该位置信息的输出端。

12.权利要求2-11中任一项的照明系统，所述至少一个发光体(104；104a，104b)包括用于确定照明系统内所述至少一个发光体(104；104a，104b)的取向的装置和用于提供该取向信息的输出端。

13.权利要求12的照明系统，其中用于确定取向的装置是角位置或取向传感器，或者其中所述至少一个发光体(104；104a，104b)包括用于自动地移动所述至少一个发光体(104；104a，104b)的装置，并且用于确定取向的装置是合并在用于自动地移动的装置中的角度编码器。

14.权利要求2-13中任一项的照明系统，其中所述至少一个发光体(104；104a，104b)包括高度定向的光源以便发射可用于确定所述至少一个发光体(104；104a，104b)的取向的窄光束。

15.权利要求14的照明系统，进一步包括至少一个解码器，所述解码器被配置为检测用于确定所述至少一个发光体(104；104a，104b)的取向的窄光束，其中所述至少一个解码器被配置为提供取向信息。

16.前述权利要求中任一项的照明系统，其中所述至少一个发光体(104；104a，104b)包括用于接收至少一个配置参数的输入端。

17.权利要求2-16中任一项的照明系统，其中所述处理单元(106)包括用于接收工作表面参数、照明参数、位置信息和取向信息的装置。

18.根据权利要求2-17之一的照明系统，其中所述处理单元(106)被配置为接收所述至少一个发光体(104；104a，104b)的光度测量数据并且附加地根据该光度测量数据来计算配置参数。

19.前述权利要求中任一项的照明系统，其中所述处理单元(106)被配置为通过求解非线性数学规划问题来计算配置参数。

20.权利要求2-19中任一项的照明系统，其中所述处理单元(106)被配置为根据逐点方法计算配置参数，所述逐点方法估计照明系统的每个发光体(104；104a，104b)对工作表面(120)的每个部分的贡献。

21.权利要求20的照明系统，其中所述逐点方法基于下述公式：

E({φ_j，ψ_j，θ_j，I_j}_j＝1...N1)＝E_des

E_des：在工作表面的选定部分处希望的照明值的矢量；

phi_j：第j个发光体的发光功率；

psi_j：第j个发光体的摇动角度；

theta_j：第j个发光体的倾斜角；

I_j：第j个发光体的光度测量分布。

22.权利要求21的照明系统，其中所述公式左侧可以由下式替代：

$\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{ij}}{I}_j({\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}})$

kappa_{ij}：依赖于第j个发光体相对于第i个部分所属的工作表面的相对位置；

I_j：表示第j个发光体的光度测量分布；

beta_{ij}，gamma{ij}：局部于发光体角坐标，所述值依赖于第i个部分与第j个发光体位置之间的相对位置，其因此依赖于发光体的取向。

23.权利要求22的照明系统，其中一旦对于一定部分选择了发光体(104；104a，104b)的摇动角和倾斜角，则自动地确定又依赖于psi_j和theta_j的beta_{ij}和gamma_{ij}的值，使得权利要求26的项可以被写作

$\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_j\·l_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\ψ}}_j,{\mathrm{\θ}}_j).$

24.权利要求23的照明系统，其中所述处理单元(106)被配置为通过找出合适的光束模式、发光体(104；104a，104b)取向和调光水平来求解权利要求23的项，使得下列函数

$\frac{1}{2}{(E-E_{\mathrm{des}})}^T(E-E_{\mathrm{des}})$

当其受到下列约束时被最小化：

$0\≤{\mathrm{\φ}}_j\≤{\mathrm{\φ}}_{j_0}$

$0\≤{\mathrm{\ψ}}_j\≤{\mathrm{\ψ}}_{j_0}$

$0\≤{\mathrm{\θ}}_j\≤{\mathrm{\θ}}_{j_0}$

这些约束指示可以由所考虑的发光体(104；104a，104b)产生的光通量、摇动和倾斜角的范围。

25.权利要求2-24中任一项的照明系统，其中所述照明参数定义了工作表面(120)的希望的照明的范围并且所述处理单元(106)被配置为计算配置参数，使得工作表面(120)的可实现的照明处于该范围内。

26.前述权利要求中任一项的照明系统，其中所述处理单元(106)被配置为估计所述至少一个发光体(104；104a，104b)的发光功率随时间的降低，使得可以根据所述至少一个发光体(104；104a，104b)的实际发光功率确定配置参数。

27.权利要求2-26中任一项的照明系统，其中所述处理单元(106)被配置为接收所述至少一个发光体(104；104a，104b)的功耗简档并且被配置为附加地根据该功耗简档计算配置参数，使得在工作表面(120)的希望的照明仍然可实现的同时最小化所述至少一个发光体(104；104a，104b)的能耗。

28.权利要求27的照明系统，其中通过下式定义能耗：

$\underset{j=1}{\overset{\mathrm{Nl}}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j\left({\mathrm{\φ}}_j\right)$

p_j：第j个发光体的功耗

phi_j：第j个发光体的发光功率。

29.前述权利要求中任一项的照明系统，其中所述处理单元(106)被配置为向所述至少一个发光体(104；104a，104b)提供配置参数。

30.权利要求2-29中任一项的照明系统，进一步包括系统数据库，该系统数据库被配置为自动地收集位置信息和取向信息并且向处理单元(106)提供该位置信息和取向信息。

31.一种用于权利要求1-30中任一项的照明系统的接口(102)设备，包括：

-输入装置，其用于允许用户定义照明系统内的工作表面(120)并且定义该工作表面(120)的希望的照明；以及

-输出装置，其用于提供定义照明系统内的工作表面(120)的工作表面参数并且用于提供定义该工作表面(120)的希望的照明的照明参数。

32.一种用于权利要求1-30中任一项的照明系统的发光体(104；104a，104b)，包括：

-用于照亮照明系统的工作表面(120)的装置；

-用于确定照明系统内发光体(104；104a，104b)的位置的装置；以及

-用于提供对应于照明系统内发光体(104；104a，104b)的位置的位置信息的装置。

33.一种用于权利要求1-30中任一项的照明系统的处理单元(106)，包括：

-用于接收定义照明系统内的工作表面(102)的工作表面参数、定义该工作表面(120)的希望的照明的照明参数、定义照明系统内至少一个发光体(104；104a，104b)的位置的位置信息以及定义照明系统内所述至少一个发光体(104；104a，104b)的取向的取向信息的装置；以及

-用于计算配置参数的装置，所述配置参数允许将照明系统的所述至少一个发光体(104；104a，104b)配置成使得通过所述至少一个发光体(104；104a，104b)可以实现工作表面(120)的希望的照明。

34.一种用于配置权利要求1-30中任一项的照明系统的方法，包括：

-定义照明系统内的工作表面(120)和该工作表面(120)的希望的照明；

-提供至少一个发光体(104；104a，104b)以用于照明该工作表面(120)；以及

-计算配置参数，所述配置参数允许将所述至少一个发光体(104；104a，104b)配置成使得可以实现工作表面(120)的希望的照明。

35.一种用于配置权利要求1-30中任一项的照明系统的至少一个发光体(104；104a，104b)的方法，包括：

-接收定义照明系统内的工作表面(120)的工作表面参数、定义该工作表面(120)的希望的照明的照明参数、定义照明系统内所述至少一个发光体(104；104a，104b)的位置的位置信息以及定义照明系统内所述至少一个发光体(104；104a，104b)的取向的取向信息；以及

-计算配置参数，所述配置参数允许将照明系统的所述至少一个发光体(104；104a，104b)配置成使得通过所述至少一个发光体(104；104a，104b)可以实现工作表面(120)的希望的照明。

36.一种计算机程序，当该程序被计算机执行时能够实现根据权利要求34或35的方法。

37.一种记录载体，存储根据权利要求36的计算机程序。

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