JP6157008B2 - 符号化光を用いたロバストな昼光統合 - Google Patents

Description

本発明は、部屋の第１の高さのところで光センサと一緒に配設される減光可能な照明器具を制御し、前記部屋の第２の高さを照明する方法に関する。

部屋の中の照明器具の減光レベルを制御することによってエネルギを節約する努力がなされている。多くの昼光又は他の外因的光が部屋に入るとき、通常、照明器具の全出力は必要ない。他方では、それでも、照明器具をオフにすると、照明レベルは、多くの場合、低くなりすぎる。人々が作業している高さにおける照度の決定に基づいて照明器具の減光レベル、即ち、光出力レベルを制御する様々なソリューションが提案されている。Energy and Buildings, No. 43 (2011)の９４４乃至９５０ページに掲載の、Ashish Pandharipande及びDavid Caicedoによる、「Daylight integrated illumination control of LED systems based on enhanced presence sensing」という題名の論文に、最近の制御方法が公表されている。多数の照明器具及び一緒に配設される光センサが、第１の高さである天井に取り付けられる。照明器具は、それらが発する光の符号化によって個々に識別される。まず最初に、照明器具は、所定の減光レベルでオンにされ、（ｉ）第２の高さである、作業空間平面内の、即ち、人々が作業するはずである多くの位置、及び（ｉｉ）第１の高さにおいて照度が測定されるコミッショニング(commissioning)が実施される。測定に基づいて、第２の高さにおける照度値が第１の高さにおける照度値にマップされるマッピングテーブルが算出される。次の通常動作中には、照度が、第１の高さにある光センサによって繰り返し検出され、マッピングテーブルを用いて、第２の高さにある多くの位置の対応する照度値が決定される。照度は、昼光部分、即ち、周りの昼光によってもたらされる照度と、照明器具部分、即ち、全照明器具によってもたらされる照度とに分けられる。次いで、最適化が、全ての位置に対して同様に数学的に実施され、最後に、照明器具の対応する減光レベルが設定される。これは、連続動作のために第２の高さに光センサを全く必要とせず、複数の照明器具の最適化された設定を同様に供給する素晴らしい方法である。しかしながら、従来技術の方法は、多くのアプリケーションには必要以上に複雑である。１つ以上の照明器具のために用いられることができるより簡単な方法であるが、それでも、通常動作のためには２つの高さでの測定を必要としないより簡単な方法が、望まれている。

本発明の目的は、従来技術の上述の問題を改善する照明器具制御のための方法を提供することである。

前記目的は、請求項１において規定されているような本発明による、部屋の第１の高さのところで光センサと一緒に配設される減光可能な照明器具を制御し、前記部屋の第２の高さを照明する方法によって達成される。

従って、本発明の或る態様によれば、部屋の第１の高さのところで光センサと一緒に配設される減光可能な照明器具を制御し、前記部屋の第２の高さを照明する方法であって、
− 前記照明器具から発せられる光の量と、前記第２の高さにおける照明器具照度値であって、前記発せられる光の量に起因する照明器具照度値との間の関係を表す出力経路パラメータ（高さresp.アルファ）を決定するステップ、並びに繰り返す、
− 現在発せられている光の量、前記出力経路パラメータ、及び前記光センサから来る光の情報の値を用いて、前記第２の高さにおける外因的照度値であって、前記照明器具以外の供給源による照度を表す外因的照度値を決定するステップ、及び
− 前記第２の高さにおける全照度の所定の照度条件を満たすために前記外因的照度値に基づいて前記照明器具の減光レベルを制御するステップを有する方法が提供される。

従って、従来技術のように煩わしいコミッショニングによって照度マッピングのための複雑なモデルを供給する代わりに、前記外因的照度値が、簡単な前記出力経路パラメータの決定に基づいている。

前記方法の実施例によれば、それは、前記光センサによって受け取られる光の量を検出するステップ、及び検出された前記光の量を照明器具部分と外因的部分とに分割するステップを更に有する。前記光センサから来る光の情報は、前記外因的光部分である。これは、前記外因的光部分を決定する有利な方法である。

前記方法の実施例によれば、それは、前記照明器具から発せられる光を符号化するステップを有し、前記検出された光の量を照明器具部分と外因的部分とに分割するステップは、前記符号化を用いて前記照明器具部分を識別するステップを有する。これは、前記検出された光を分割する信頼性が高い正確な方法である。

前記方法の実施例によれば、前記第２の高さにおける外因的照度値を決定するステップは、前記外因的光部分と前記照明器具部分との間の割合は、前記外因的照度値と前記照明器具照度値との間の割合と等しいという近似仮定をするステップ、及び前記外因的照度値を、前記外因的光部分及び前記照明器具光部分の商を乗算した前記照明器具照度値として計算するステップを有する。この実施例によれば、前記第２の高さにおける外因的照度値を決定する簡単な方法が得られる。近似値でありながら、それは、ほとんどのアプリケーションには十分に正確であることが分かった。

前記方法の実施例によれば、前記出力経路パラメータは、前記第２の高さにおける光センサを用いて前記照明器具照度値を測定するステップを有する初期コミッショニングを用いて決定される。前記コミッショニングは、前記出力経路パラメータの正確な値を供給する。

前記方法の実施例によれば、前記出力経路パラメータは、前記照明器具と前記第２の高さとの間の距離の関数であり、前記距離は、デフォルト値として供給される。一方で、これは、精度の低いパラメータをもたらし得るが、他方で、それは、コミッショニングを不要にし得る。近い変形例として、前記出力経路パラメータが、デフォルト値として供給され得る。

前記方法の実施例によれば、上述の距離は、手動入力によって、又は前記照明器具と一緒に配設される距離センサによって、決定される。

前記方法の実施例によれば、前記第２の高さにおける外因的照度値を決定する動作は、
− 前記照明器具を、大量の光を出力する状態と、少量の光を出力する状態との間で切り換えるステップ、及び
− これらの異なる状態において前記光センサによって受け取られる光の量を検出し、関連する検出値を供給するステップを有し、
前記検出値は、前記光センサから来る光の情報を構成する。前記切り換えるステップは、前記第２の高さにおいて前記外因的照度を測定する必要なしに前記外因的照度の決定を容易にするだろう値の検出を供給する。

前記方法の実施例によれば、前記第２の高さにおける外因的照度値を決定する動作は、
S_high = k(I_ext + pL_high)、及び
S_low = k(I_ext + pL_low)
という方程式系を解くステップを有し、ここで、S_high及びS_lowは、前記光センサによって取得される検出値であり、I_extは、前記外因的照度値であり、L_high及びL_lowは、前記照明器具によって出力される大量及び少量の光であり、pは、前記出力経路パラメータであり、kは、戻り経路パラメータであり、前記方程式系は、前記外因的照度値I_ext及び戻り経路パラメータkという未知の係数のために解かれる。これは、前記第２の高さにおける前記外因的照度の正確な値を得るために、従って、前記第２の高さにおける全照度の正確な値を得るために、前記切り換えるステップを利用する有利な方法である。

本発明のこれら及び他の態様及び利点は、下記の実施例に関して説明され、明らかになるだろう。

ここで、添付の図面を参照して、本発明を、より詳細に説明する。

本発明による方法の実施例によって制御される照明器具を持つ部屋の概略図である。

本発明の方法は、例えば、多数の減光可能な照明器具１０２が、部屋の第１の高さ、即ち、第１水平面を表す天井１０４に取り付けられる部屋１００に適用可能である。部屋１００の或る壁１０６は、日光を伴うもの又は日光を伴わないものであり得る昼光を部屋の中に入れる窓１０８を具備する。各照明器具１０２は、光センサ１１０及び制御装置１１２を具備する。しかしながら、他の例においては、別個の光センサが用いられ得る。従って、照明器具１０２は、第１の高さ１０４のところで光センサ１１０及び制御装置１１２と一緒に配設される。第２の高さ１１４は、作業空間平面、即ち、人々が、通常、作業している高さである。例えば、机の表面は、第２の高さ１１４に位置する。

減光可能な照明器具を制御する方法の第１実施例は、好ましくは、光センサ１１０が照明器具を１０２に組み込まれるシステムにおいて用いられる。光センサ１１０が別個に配設される場合には、前記方法のパフォーマンスは、照明器具と光センサとの間の距離の増大に伴って悪化するだろう。前記方法のこの第１実施例によれば、最初の動作は、照明器具１０２から発せられる光の量Lと、第２の高さにおける照明器具照度値I_lumであって、前記発せられる光の量に起因する照明器具照度値I_lumとの間の関係を表す出力経路パラメータpを決定する動作である。この実施例においては、出力経路パラメータpの関係は、単純に、p=I_lum/Lに設定される。その後、照明器具の連続動作を構成する幾つかの動作が、所定の時間間隔で繰り返される。それらは、現在発せられている光の量L、出力経路パラメータp、及び光センサ１１０から来る光の情報の値を用いて、第２の高さにおける外因的照度値I_extであって、照明器具１０２以外の供給源による照度を表す外因的照度値I_extを決定する動作を含む。より詳細には、この実施例によれば、光センサ１１０から来る光の情報は、照明器具部分S_lumと、外因的部分S_extとに分割される、検出される光の量を構成する。分割は、光の何らかの符号化などの、照明器具１０２から生じる光の何らかの識別に基づく。当業者には理解されるように、符号化は、PWM、OOKなどのような如何なる既知のタイプの符号化であってもよい。

外因的照度値I_extの決定は、外因的光部分S_extと照明器具部分S_lumとの間の割合は、外因的照度値I_extと照明器具照度値I_lumとの間の割合と等しい、即ち、

という近似仮定に基づく。

従って、外因的照度値I_extは、

として得られる。

前記仮定は、以下の説明から明らかになるように十分な根拠がある。照明器具１０２の出射窓に対する垂線に対して角度αを持つ対称ビーム形状B(α)を持つ光を発する照明器具１０２を仮定する。光センサ１１０は、光センサ１１０の検出円錐を角度βに制限する絞りを持つ。通常、一般照明は、一般に約２×４５°のFWHMを持つ幅が広いビーム形状で実施される。対称的に、光センサ１１０の角度範囲は、例えば窓によってもたらされる、アーチファクトの発生を防止するために制限されなければならない。一般的な検出円錐は、約β=２５°程度である。照明器具１０２によって光センサ１１０の検出円錐内に発せられる光束φは、

によって与えられる。

ここで、強度関数は、相対的に小さい検出円錐内では基本的に平坦であると仮定される。検出される第２の高さにおける面積は、

によって与えられる。

ここで、Hは、照明器具１０２と検出領域との間の距離である。これは、照明器具１０２と第２の高さ１１４との間の距離に対応する。その場合、第２の高さ１１４における照明器具照度値I_lumは、

によって与えられる。

ここで、βは小さいと仮定される。前記仮定は、この計算の目的のためには十分に正確である。B(0)の値は、ビーム形状及び減光レベルによって決定される。これらの両方とも、照明器具１０２に対して既知である。B(0)の値は、照明器具が出荷される前に照明器具のメモリにフラッシュされることができ、減光レベルは、ドライバそれ自体によって決定／設定される。場合により、経年劣化又は汚れによる照明器具のルーメン低下を追跡する照明器具内のフォトセンサを用いることによって、照明器具の光出力も、自己較正され得る。従って、唯一の未知の係数は、高さHであり、出力経路パラメータpの一部である。なぜなら、

であるからである。
高さの決定については、下でより詳細に述べる。詳細な強度分布及び検出円錐が考慮に入れられる場合に結論はあまり変わらないことに注意されたい。なぜなら、これらの細部は、全て、用いられる照明器具１０２及び光センサ１１０について既知であり得るからである。

光センサ１１０によって検出される光の信号の照明器具部分S_lumは、

に比例し、ここで、Rは、第２の高さ１１４における検出面積Aの平均反射係数である。ここでは、βは小さいと仮定して、射影余弦は無視されている。検出面積A及び高さHは、自然光及び人工符号化光に対して同じである。とりわけ優れた演色を持つ人工光については、反射係数がだいたい同じであると仮定することもできる。結果として、上記の式１の比較はうまくいくだろう。更に、照明器具１０２によってもたらされる照度が既知である場合には、それは、光センサ１１０の自己較正のために用いられることができる。

このようにして外因的照度値I_ext及び照明器具照度値I_lumを決定したら、第２の高さ１１４における全照度、即ち、作業空間平面内の全照度が知られ、最後に、必要に応じて、照明器具１０２の減光レベルが調節される。調節の大きさは、出力経路パラメータを用いて決定可能である。なぜなら、照明器具１０２の光出力の望ましい調節は、ΔL=-ΔI_tot/pのように第２の高さにおける全照度の望ましい調節に関連するからである。しかしながら、照度の変化は、もっぱら外因的照度の変化であり、従って、調節は、下の式１２のようにも決定され得る。調節がなされるべきか否かは、例えば範囲であり得る、全照度の所定の照度条件に依存する。これは、全照度値が前記範囲内にある場合には調節がなされないことを意味する。一般に、満たされなければならない最低照度の規格があり、エネルギを可能な限り節約するために、照明器具１０２の光出力は、上述の近似が基準を下回る真の照度をもたらすことができないことを確実にする小さいマージンを伴って規格が満たされるように制御される。上述のように、出力経路パラメータpを与える高さHが、前記計算の唯一の未知の係数である。初期動作中に高さHを決定するためには様々な方法がある。

１つの方法は、デフォルトの高さを用いるものである。オフィスの高さは、高さにおいて相対的に小さな違いしか示さず、一般に、2.4mと3.0mとの間である。第２の高さにおいて５００ルクスという最低ルクス値を保証にするために、最悪の3mのケースが用いられ得る。その場合には、実際の自然照明レベルはH²/3²だけ過小評価されるだろう。例えば、天井が、3.0mではなく、2.5mである場合、システムは、例えば５００ルクスの公称レベルに減光せず、その代わりに、７２０ルクスに減光するだろう。しかしながら、この差は、後方反射係数における不確実性に相当する、今日一般にとられているマージンと同等である。

出力経路パラメータ／高さを決定する別の方法は、第２の高さにおける光センサを用いて照明器具照度値が測定される初期コミッショニングを実施するものである。換言すれば、システムは、最初に一度、ルクス計で較正される。出力経路パラメータp及び高さHは、測定される照明器具照度値及び照明器具１０２の既知の光出力B(0)から簡単に得られる。

高さHは、照明器具１０２内の他の高さセンサによって自動的に測定されることもできる。例えば、本当に居るか居ないかを検出する超音波装置からの飛行信号の時間も用いられ得る。その場合、照明器具１０２は、自律的なようにして本当に自動較正するものであり得る。距離情報を供給し得る他のセンサは、例えば、マイクロホン、居るか居ないかを検出するマイクロ波センサ、又はTOFカメラである。

上には、照明器具制御方法の第１実施例が記載されている。前記方法の第２実施例によれば、第１実施例と同様に、最初の動作は、照明器具１０２から発せられる光の量Lと、第２の高さにおける照明器具照度値I_lumであって、前記発せられる光の量に起因する照明器具照度値I_lumとの間の関係を表す出力経路パラメータpを決定する動作である。次いで、照明器具の連続動作を構成する幾つかの動作が、所定の時間間隔で繰り返される。それらは、現在発せられている光の量L、出力経路パラメータp、及び光センサ１１０から来る光の情報の値を用いて、第２の高さにおける外因的照度値I_extであって、照明器具１０２以外の供給源による照度を表す外因的照度値I_extを決定する動作を含む。より詳細には、この第２実施例によれば、光センサ１１０から来る光の情報は、照明器具部分S_lum及び外因的部分S_extの合計である。典型的には、照明器具１０２から生じる光は、第１実施例の説明において述べたように、符号化される。

最初の動作は、第１実施例について上で記載したように、コミッショニングとして実施される。しかしながら、他の例においては、出力経路パラメータ、又は上記のように出力経路パラメータに関連する第２の高さ１１４における照度は、デフォルト値、即ち、一般に制御装置１１２のメモリに記憶される所定の値である。

光センサ１１０から有用な情報を得るために、照明器具の光出力は、大量の光を出力する状態と少量の光を出力する状態との間、L_highとL_lowとの間で切り換えられ、光センサ１１０が、対応する受信電力S_high及びS_lowを検出する。

これらの電力は、
S_high = k(I_ext + pL_high) 式８
及び
S_low = k(I_ext + pL_low) 式９
によって与えられる。

制御装置１１２は、２つの未知の係数k及びI_extのためにこれらの２つの式を解き、ここで、kは、第２の高さの照度と、光センサ１００において検出される光の量との間の関係を表す戻り経路パラメータである。これは、
k = (S_high - S_low) / p(L_high - L_low) 式１０
及び
I_ext = p(L_highS_low - L_lowS_high) / (S_high - S_low) 式１１
をもたらす。

次いで、第２の高さ１１４における全照度値を決定し、必要に応じて、照明器具１０２の連続設定を、所定の基準を満たすように調節することが可能である。一般に、調節の必要性は、外因的照度の変化によってもたらされる。従って、調節は、
ΔL = -ΔI_ext /p 式１２
として決定可能である。

一般的なケースである、部屋の中に符号化光を発する幾つかの減光可能な照明器具１０２がある場合、各照明器具及び照明器具のグループ全体が、それ自体及び他の照明器具１０２からの符号化光を検出する各照明器具１０２によるそれから益を得ることができることに注意されたい。それ自体は当業者に知られているように、幾つかの異なる変形例が実施可能である。

上では、添付の請求項において規定されているような本発明による方法の実施例を記載した。これらは、単に非限定的な例に過ぎないとみなされるべきである。当業者には理解されるように、添付の請求項によって規定されるような本発明の範囲内で、多くの修正例及び他の実施例が考えられる。

この出願の目的のため、とりわけ、添付の請求項に関して、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数性を除外しないことに注意されたい。このこと自体は、当業者には明らかであるだろう。

Claims (11)

1. 部屋の第１の高さのところで光センサと一緒に配設される減光可能な照明器具を制御し、前記部屋の第２の高さを照明する方法であって、
   前記照明器具から発せられる光の量と、前記第２の高さにおける照明器具照度値であって、前記発せられる光の量に起因する照明器具照度値との間の関係を表す出力経路パラメータを決定するステップ、
   現在発せられている光の量、前記出力経路パラメータ、及び前記光センサから来る光の情報の値を用いて、前記第２の高さにおける外因的照度値であって、前記照明器具以外の供給源による照度を表す外因的照度値を決定するステップ、及び
   前記第２の高さにおける全照度の所定の照度条件を満たすために前記外因的照度値に基づいて前記照明器具の減光レベルを制御するステップを有し、
   前記第２の高さにおける外因的照度値を決定するステップ、及び前記外因的照度値に基づいて前記照明器具の減光レベルを制御するステップが、繰り返される方法。
2. 前記第２の高さにおける外因的照度値を決定するステップが、
   前記光センサによって受け取られる光の量を検出するステップ、及び
   検出された前記光の量を照明器具部分と外因的光部分とに分割するステップを更に有し、
   前記光センサから来る光の情報が、前記外因的光部分である請求項１に記載の方法。
3. 前記照明器具から発せられる光を符号化するステップを有し、前記検出された光の量を照明器具部分と外因的光部分とに分割するステップが、前記符号化を用いて前記照明器具部分を識別するステップを有する請求項２に記載の方法。
4. 前記第２の高さにおける外因的照度値を決定するステップが、
   前記外因的光部分と前記照明器具部分との間の割合は、前記外因的照度値と前記照明器具照度値との間の割合と等しいという近似仮定をするステップ、及び
   前記外因的照度値を、前記外因的光部分を前記照明器具部分で除算したものと、前記照明器具照度値とを乗算したものとして計算するステップを有する請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記出力経路パラメータが、前記第２の高さにおける光センサを用いて前記照明器具照度値を測定するステップを有する初期コミッショニングを用いて決定される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記出力経路パラメータが、前記照明器具と前記第２の高さとの間の距離に関係しており、前記距離が、デフォルト値として供給される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記出力経路パラメータが、前記照明器具と前記第２の高さとの間の距離に関係しており、前記距離が、手動入力によって供給される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記出力経路パラメータが、前記照明器具と前記第２の高さとの間の距離に関係しており、前記距離が、前記照明器具と一緒に配設される距離センサによって供給される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記第２の高さにおける外因的照度値を決定するステップが、
   前記照明器具を、大量の光を出力する状態と、少量の光を出力する状態との間で切り換えるステップ、及び
   これらの異なる状態において前記光センサによって受け取られる光の量を検出し、関連する検出値を供給するステップを有し、
   前記検出値が、前記光センサから来る光の情報を構成する請求項１に記載の方法。
10. 前記第２の高さにおける外因的照度値を決定するステップが、
    S_high = k(I_ext + pL_high)、及び
    S_low = k(I_ext + pL_low)
    という方程式系を解くステップを有し、ここで、S_high及びS_lowは、前記照明器具によって大量及び少量の光が出力される状態において前記光センサによって取得される検出値であり、I_extは、前記外因的照度値であり、L_high及びL_lowは、前記照明器具によって出力される大量及び少量の光であり、pは、前記出力経路パラメータであり、kは、戻り経路パラメータであり、前記方程式系が、前記外因的照度値I_ext及び戻り経路パラメータkという未知の係数のために解かれる請求項９に記載の方法。
11. 前記光センサが、前記照明器具に組み込まれる請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。

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