CN105120550A

CN105120550A - 一种基于超声定位的led无影灯智能调光系统

Info

Publication number: CN105120550A
Application number: CN201510266181.7A
Authority: CN
Inventors: 刘宇红; 傅建国; 李乐乐; 吴配贵
Original assignee: SUZHOU TIANYVYASI MEDICAL EQUIPMENT Co Ltd
Current assignee: Xu Min
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: CN105120550B

Abstract

本发明公开了一种基于超声定位的LED无影灯智能调光系统，该系统包括主控板、光感应传感器、超声波传感器阵列、超声波控制板、测距定位模块、照度分析模块、通信模块、ARM处理器、界面控制模块、LED控制板、LED光源组件和LCD触摸屏单元模块，该系统由嵌入式微处理器、光电传感器、超声波定位检测技术构建而成，该系统以ARM微处理器为核心，采用光电传感器和超声波传感技术实现系统的闭环控制；本发明采用超声波定位技术检测手术区域遮挡物的空间位置，通过嵌入式微处理器系统对多个LED阵列进行控制从而实现手术无影灯自适应调光，达到实时调节无影灯的照明位置和亮度、消除工作面阴影使光斑照度均匀、恒定的目的。

Description

一种基于超声定位的LED无影灯智能调光系统

技术领域

本发明涉及到一种医疗专用照明设备，尤其涉及到一种智能化的LED无影灯调光系统。

背景技术

手术无影灯是医院手术室必备的重要医疗设备之一，其光照位置及亮度能否得到及时调整将影响到手术的正常进行，另外，手术无影灯的光亮度及无影度等性能的好坏直接关系到手术质量和病人健康；传统的无影灯多采用人工方式调节，这种调节是操作者依据自身的舒适度人为调整的，光亮度的准确度难以保证，存在很大的局限性。手术行进中，医生的头、手和器械均会对手术区域造成遮挡形成阴影，如果不及时消除，必将会影响手术正常进行。现有的无影灯虽然配有亮度调节器，可进行亮度调节，但是，不能完全消除阴影，只能减弱阴影的影响；同时，这种调节是通过操作者手动完成的，具有一定的模糊性，实时性、精确性不够高，且容易造成手术环境污染，影响手术正常进行。

目前，手术无影灯的实时自动调光技术的报道尚不多见。随着全球医疗设备的数字化、信息化、智能化的发展，手术无影灯的自动数字化调光技术正逐步成为一个研究热点。

针对目前无影灯技术存在的调光效果差、调节不方便、实时性差、无影效果不高、安全可靠性差、手工调整频繁等问题，迫切需要一种新型的无影灯智能调光技术替代传统的无影灯。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于超声定位的LED无影灯智能调光系统，该系统利用信息化技术手段，采用超声波传感器组成的空间阵列，对进入照明区域的遮挡物进行空间定位，运用数字信号处理技术、人工神经网络技术、计算机控制技术等现代信息技术构建一种新型的无影灯智能化调光系统，该系统能够解决现有的技术中存在的使用不方便，调节效果不理想等问题。该实现手术无影灯自适应调光，达到实时调节无影灯的照明位置和亮度、消除工作面阴影使光斑照度均匀、恒定的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于超声定位的LED无影灯智能调光系统，该系统包括主控板、光感应传感器、超声波传感器阵列、超声波控制板、测距定位模块、照度分析模块、通信模块、ARM处理器、界面控制模块、LED控制板、LED光源组件和LCD触摸屏单元模块，其中，照度分析模块、ARM处理器、通信模块、测距定位模块和界面控制模块设置于主控板内，该系统由嵌入式微处理器、光电传感器、超声波定位检测技术构建而成，该系统以ARM微处理器为核心，采用光电传感器和超声波传感技术实现系统的闭环控制；

系统由ARM处理器作为核心控制单元，负责整个系统的控制和管理，系统工作时，通过LCD触摸屏设定照明模式和所需的照度值，启动运行后LED无影灯系统按照设定值自动调节工作面照度，并稳定到设定的照度值，若照明区域出现遮挡物造成工作面出现阴影，超声波定位模块会检测到遮挡物并确定其空间位置，系统会根据遮挡物的位置自动将被遮挡区域对应的LED灯的亮度降低，而其他区域的LED灯亮度则相应的增加，系统在工作过程中，当环境光强发生变化时，光感应传感器会检测到光强的变换，ARM处理器会通知LED驱动控制器调节LED光源的亮度，保持照明区域光强的恒定；

光感应传感器负责监测照明区域内的照度变化，当环境光和干扰光源影响工作区域的照度时，照度分析模块会计算出工作面照度的变化，从而通知ARM微处理器进行自适应调节，将干扰光源的影响消除，使工作面上的照度始终保持恒定不变。

通过超声波传感器阵列获取照明区域的超声波回波信号，回波信号检测模块对反射波信号进行滤波和增强处理，提取回波的延时参数，计算每个超声波传感器到达目标的距离，经过超声波控制板处理完的数据被送入主控板，由主控板的超声波测距定位模块进行处理。

该系统运用了数字信号处理算法、人工神经网络理论解决照明区域目标的识别问题，通过建立照明区域目标定位的神经网络模型，对照明区域遮挡物空间位置进行分析和判断，计算出遮挡物的空间位置，再根据光学投射原理找到被遮挡物遮挡的LED灯所在区域，通过照度补偿模型计算出灯盘各部分的LED阵列的驱动电流值，最后再通过LED恒流驱动器控制相应的LED阵列发光强度，实现实时调节无影灯各部分光源的亮度。

本系统还具有智能化的人机交互控制接口，通过触摸屏用户设置无影灯的工作模式，工作模式分为标准模式和自定义模式，标准模式是根据预先设计好的几种手术场景而定义的照明模式，用户只需选择适合自己的模式，系统就会自动按该模式进行控制；自定义模式可根据用户的喜好，任意设置照明模式，系统就能按用户设定的模式进行控制，用户设置的数据可通过LCD显示屏显示出来，工作过程中的照度信息也可通过LCD显示屏实时显示。

超声波传感器阵列以扫描方式进行回波检测，超声波传感器阵列上设有带通滤波器，将有效的回波信号提取出来。

本发明采用该系统后，其有益效果为：

(1)建立了基于超声波定位处理技术的智能化调光系统，实现对工作区域自动调光控制，使照明区域的照度恒定在设定值；

(2)实现对照明区域内的活动目标的实时跟踪与定位，能有效检测和判断遮挡物的位置和区域，从而消除阴影，实现真正意义上的无影灯；

(3)具有工作区照度连续可调的特定，用户可以任意设定一个照度值，系统就能自动跟踪并锁定在设置的照度值上；

(4)本设计是一种智能化的自动控制系统，用户只需预先设置好控制参数，就能实现整个控制过程，调节过程中不需人工干预；

(5)此外，本发明还具有调节范围宽，调节精度高的优点，在调节范围内能连续平滑的进行亮度调节，调节的步距小，无闪烁和跳跃，光斑均匀度高，具有较高调节品质。

(6)本发明采用超声波定位技术检测手术区域遮挡物的空间位置，通过嵌入式微处理器系统对多个LED阵列进行控制从而实现手术无影灯自适应调光，达到实时调节无影灯的照明位置和亮度、消除工作面阴影使光斑照度均匀、恒定的目的。

(7)本发明系统结构简单，成本低，功耗低，体积小，可靠性高等优点，能使光源发光效能和节能效果达到最佳状态。

附图说明

图1为本发明LED无影灯智能调光系统结构框图。

图2为本发明LED无影灯智能调光系统中超声波传感器阵列图。

图3为本发明LED无影灯智能调光系统中超声波定位计算原理示意图。

图4为本发明LED无影灯智能调光系统中空间位置映射神经网络模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，不能理解为是对本发明的限制；

根据图1所示，一种基于超声定位的LED无影灯智能调光系统，该系统包括主控板、光感应传感器、超声波传感器阵列、超声波控制板、测距定位模块、照度分析模块、通信模块、ARM处理器、界面控制模块、LED控制板、LED光源组件和LCD触摸屏单元模块，其中，照度分析模块、ARM处理器、通信模块、测距定位模块和界面控制模块设置于主控板内，该系统由嵌入式微处理器、光电传感器、超声波定位检测技术构建而成，该系统以ARM微处理器为核心，采用光电传感器和超声波传感技术实现系统的闭环控制；

系统由ARM处理器作为核心控制单元，负责整个系统的控制和管理。系统工作时，首先通过LCD触摸屏设定照明模式和所需的照度值，启动运行后LED无影灯系统就会按照设定值自动调节工作面照度，并稳定到设定的照度值。手术过程中，照明区域如出现遮挡物造成工作面出现阴影，超声波定位模块会检测到遮挡物并确定其空间位置，系统会根据遮挡物的位置自动将被遮挡区域对应的LED灯的亮度降低，而其他区域的LED灯亮度则相应的增加，从而达到消除阴影、使照明区域工作面的照度保持均匀、恒定的目地。系统在工作过程中，当环境光强发生变化时，光感应传感器会检测到光强的变换，ARM处理器会通知LED驱动控制器调节LED光源的亮度，从而保持照明区域光强的恒定。

本系统运用了数字信号处理算法、人工神经网络理论解决照明区域目标的识别问题。通过建立照明区域目标定位的神经网络模型，对照明区域遮挡物空间位置进行分析和判断，计算出遮挡物的空间位置，再根据光学投射原理找到被遮挡物遮挡的LED灯所在区域，通过照度补偿模型计算出灯盘各部分的LED阵列的驱动电流值，最后再通过LED恒流驱动器控制相应的LED阵列发光强度，实现实时调节无影灯各部分光源的亮度，从而达到工作区域照度保持均匀、恒定、无影的目的。

本系统工作过程如下：通过超声波传感器阵列获取照明区域的超声波回波信号，通过回波信号检测模块对反射波信号进行滤波和增强处理，提取回波的延时参数，计算每个超声波传感器到达目标的距离，这部分工作由超声波控制板完成。经过超声波控制板处理完的数据被送入主控板，由主控板的超声波测距定位模块进行处理。该模块负责分析、计算遮挡目标的空间位置，计算模型是一个经过训练的人工神经网络模型，通过该模型即可计算出遮挡目标的位置。完成上述处理过程后，ARM微处理器要根据获取的位置信息，通过几何映射关系计算出被遮挡的LED阵列的位置，再通过照度补偿模型推算出需调节的LED阵列的驱动电流值，最后由通信模块将控制信息传送给LED控制器，调节相应LED阵列的亮度，使照明工作面达到所需的照度，达到消除阴影、使照明区域的照度均匀、恒定的目地。

整个无影灯由128个高亮度白色LED灯组成，每4个串联成一组，形成一个LED灯阵列，整个灯盘分成32组阵列，并以32组并联而成。每组相互独立，并可独立控制其流过的电流，若有一组损坏其它组照样能够继续工作，所以对手术的影响较小。每组由一路单独的PWM恒流驱动电路进行恒流控制，并根据当前采集到的定位信息和照度信息，通过ARM微处理器发出控制指令，由LED控制器的PWM脉宽调节电路，对流过每组LED的电流进行连续无级调节，调节范围约为0～350mA。

(1)超声波传感器阵列的结构

如图2所示，整个灯盘沿半径均匀等分为16个分区，每个分区又沿半径的中点分为内外两个区，于是，整个灯盘表面被分为32个分区。32个LED灯阵列以某种排列方式，分布在这32个分区上。当检测到某一个分区的光线被遮挡住，该分区的LED灯阵列的亮度就会被降低，而其它未被遮挡区域的LED灯阵列的亮度则会被增加。

(2)超声波回波信号的预处理

超声波传感器阵列以扫描方式进行回波检测。当超声波探头发送超声波信号后，超声波控制板同时发送驱动信号驱动同一个超声波探头接收超声波回波信号，驱动信号发送完毕后超声波控制板等待信号返回。当探头接收到回波信号后，将信号送回超声波控制板进行信号放大处理，由超声波控制板上的单片机进行A/D转换及采样信号的分析和处理，并计算出信号发送和接收的时间差，根据此时间差计算该探头离障碍物距离，至此完成一路探头的检测工作；接着再驱动下一个探头按相同的方式工作，一直到8个探头都完成一遍工作之后，一次巡检周期即告结束。8个探头检测完成构成一个检测周期。

超声波探头接收到的超声波回波信号除了目标反射的信号外，还存在背景干扰源产生的干扰信号，如果不能有效滤除这些干扰信号，会大大降低检测精度，甚至造成误检和误判，为此，必须设计一个高性能的带通滤波器，将有效的回波信号提取出来。本系统设计了一个16阶带通IIR滤波器进行预处理，为便于实现将16阶IIR滤波器分解为8个二阶IIR滤波器级联组成，每个二阶IIR滤波器采用直接型二阶IIR滤波器实现。

本设计采用一个ChebyshevⅡ型带通滤波器，通带范围35kHz～45KHz，通带波纹3dB，阻带衰减-30dB，数据采样频率380kHz。

算法如下：

系统满足的差分方程如下：

其中，x(n)：为输入序列，y(n)：为输出序列，ai、bi：滤波器系数，N:滤波器的阶数。

二阶IIR滤波器采用标准型二阶结构来实现，其传递函数为：

对应的差分方程为：

y(n)＝b₀x(n)+b₁x(n-1)+b₂x(n-2)

＝a₁y(n-1)+a₂y(n-2)

反馈通道：

w(n)＝x(n)+a₁w(n-1)+a₂w(n-2)

前向通道：

y(n)＝b₀w(n)+b₁w(n-1)+b₂w(n-2)

(3)超声波定位分析算法

为达到有效消除工作面阴影的目的，必须准确确定产生阴影的遮挡物的空间位置，即确定遮挡物与灯盘发光面间的距离和方位。超声波传感器阵列的八个探头均匀分布在灯盘表面，其探测范围可覆盖整个工作区域。当有遮挡物位于灯盘和工作面之间时，八个探头都会探测到该遮挡物，并获得它们到遮挡物间的距离。探头扫描完成后，将八个检测到的距离值进行排序，选取最小的三个值进行定位计算。

如图3所示，图3中的探头A、B、C是三个距离遮挡物距离最近的探头，将三个探头放在坐标系中,为计算简便，将三个探头z所在的位置定义为探头一A(0，0，0),探头二B(0，l，O),探头三C(0，0，l)，障碍物反射超声波的点为D(x，y，z)。假设三个探头与遮挡物的距离分别是长度a，b和c。根据四个点的坐标位置可得，三个向量分别为AD＝(x，y，z),BD＝(x，y-l，z),CD＝(x，y，z-l),它们的模即为a,b和c,于是有下列方程组：

x²+y²+z²＝a²

x²+(y-l)²+z²＝b²

x²+y²+(z-l)²＝z²

该式有三个未知数和三个方程,可以解得D点的坐标位置,由此可以计算出障碍物与灯盘的距离。

(4)空间位置计算模型

遮挡物空间位置的计算是通过一个经过优化训练的前向神经网络来完成，神经网络模型如图4所示，该神经网络的输入层有8个节点，隐层有40个节点，输出层有32个节点。空间位置被映射为灯盘的32个分区，对应网络的输出向量y＝(y₁，y₂，…，y₃₂)，y的每个分量对应一个分区；8个超声波探头到遮挡物的距离对应输入向量x＝(x₁，x₂，…，x₈)，x的每个分量对应一个探头的距离。该模型预先经过大量的实验样本的训练，实验样本的选取要具有代表性，能够反映各种空间位置的映射关系，经过训练收敛后，加权系数w_ij就记忆住各种空间映射关系，当一个输入样本输入网络后，它就会映射出对应空间位置。

系统采用S型神经元模型：

神经网络的输出：

训练过程采用误差修正算法，由如下四步完成：

1)任选一组初始权值Wji(0)。

2)计算某一输入模式对应的实际输出与期望输出的误差。

3)更新权值

采用BP网络，由输出层开始逐层调整权值公式如下：

W_ij(t+1)＝W_ij(t)+ηδ_jx_i+αW_ij(t)-W_ij(t-1)]

式中：η——学习因子，α——惯性系数

——第i个神经元的期望输出与实际输出；

x_i——第i个神经元的输入。

4)返回步骤2)，直到对所有训练模式、网络输出均满足误差要求为止。

(5)智能LED亮度调节算法

神经网络的输出y_k将给出当前照明区域中LED光源阵列的分布映射图，该值大于某个阈值表明对应的LED阵列被遮挡；反之，则没有被遮挡。输出向量y＝(y₁，y₂，…，y₃₂)反映LED光源将以怎样的亮度分布才能实现使被照区域的照度到达规定的值并保持恒定，同时又消除工作区阴影。输出向量y作为控制参数，由ARM处理器根据事先设定好的程序分析并处理手术现场的光照度信息，然后根据设定好的光照度要求计算出每个LED阵列驱动电流控制值,通过LED控制器调节LED光源驱动电流，控制无影灯的各个LED阵列的亮度，从而实现照明工作面恒光、无影的效果。

本系统还具有智能化的人机交互控制接口，通过触摸屏用户可以设置无影灯的工作模式，工作模式分为标准模式和自定义模式。标准模式是根据预先设计好的几种手术场景而定义的照明模式，用户只需选择适合自己的模式，系统就会自动按该模式进行控制；自定义模式可根据用户的喜好，任意设置照明模式，系统就能按用户设定的模式进行控制。用户设置的数据可通过LCD显示屏显示出来，工作过程中的照度信息也可通过LCD显示屏实时显示。

最终，本发明预期达到的主要技术指标为：

1)照明光束未被遮挡的情况下，距设备发光外表面1m处光斑中心的照度

为：40kLux～160kLux；

2)挡板遮挡光束时的剩余照度

单遮板无影率：≥40％，双遮板无影率：≥45％；

3)有效光斑区域的恒光精度为：5％～10％；

4)调光范围：10～100％；

5)光斑直径：200mm～300mm；

6)照明深度(cm)：100；

7)消耗功率(W)：150；

8)高度调整(cm)：168。

Claims

1.一种基于超声定位的LED无影灯智能调光系统，其特征在于：该系统包括主控板、光感应传感器、超声波传感器阵列、超声波控制板、测距定位模块、照度分析模块、通信模块、ARM处理器、界面控制模块、LED控制板、LED光源组件和LCD触摸屏单元模块，其中，照度分析模块、ARM处理器、通信模块、测距定位模块和界面控制模块设置于主控板内，该系统由嵌入式微处理器、光电传感器、超声波定位检测技术构建而成，该系统以ARM微处理器为核心，采用光电传感器和超声波传感技术实现系统的闭环控制；

光感应传感器监测照明区域内的照度变化，当环境光和干扰光源影响工作区域的照度时，照度分析模块会计算出工作面照度的变化，通知ARM微处理器进行自适应调节，将干扰光源的影响消除，保持工作面上的照度始终恒定；

2.根据权利要求1所述的基于超声定位的LED无影灯智能调光系统，其特征在于：该系统运用了数字信号处理算法、人工神经网络理论解决照明区域目标的识别问题，通过建立照明区域目标定位的神经网络模型，对照明区域遮挡物空间位置进行分析和判断，计算出遮挡物的空间位置，再根据光学投射原理找到被遮挡物遮挡的LED灯所在区域，通过照度补偿模型计算出灯盘各部分的LED阵列的驱动电流值，最后再通过LED恒流驱动器控制相应的LED阵列发光强度，实现实时调节无影灯各部分光源的亮度。

3.根据权利要求1所述的基于超声定位的LED无影灯智能调光系统，其特征在于：本系统还具有智能化的人机交互控制接口，通过触摸屏用户设置无影灯的工作模式，工作模式分为标准模式和自定义模式，标准模式是根据预先设计好的几种手术场景而定义的照明模式，用户只需选择适合自己的模式，系统就会自动按该模式进行控制；自定义模式可根据用户的喜好，任意设置照明模式，系统就能按用户设定的模式进行控制，用户设置的数据可通过LCD显示屏显示出来，工作过程中的照度信息也可通过LCD显示屏实时显示。

4.根据权利要求1所述的基于超声定位的LED无影灯智能调光系统，其特征在于：超声波传感器阵列以扫描方式进行回波检测，超声波传感器阵列上设有带通滤波器，将有效的回波信号提取出来。