1

Apr. 2016

自己組織化照明システムの開発

1. March 2019第25回 人工知能研究成果発表会

南 裕樹

Mechanical Dynamics Lab.

2はじめに

従来の照明システム

照度分布の柔軟な制御

省エネルギー化

照度分布が固定されている

課題：

照度分布

On/Off On/Off ・ON/OFFが固定（配線依存）

・照射角度が固定（真下）

2

Mechanical Dynamics Lab.

3はじめに

Firefly!

次世代の照明システムは？

３次元＋⾃律分散

Mechanical Dynamics Lab.

4はじめに

次世代の照明システム

３次元照明システム

分散×協調

各照明ユニット

� 3次元空間を移動可

� On/Off を制御可

“firefly”

Our Concept

On

Off

3

Mechanical Dynamics Lab.

5

Navigation light

Hands-free Lantern

Smart search lightFollow!

Find & Converge!

Show

evacuation route

On

Off

はじめに

次世代の照明システム

Mechanical Dynamics Lab.

6本研究の成果

LED

３次元照明システムの実現に向けて

アプローチ１

On/Off

Pan/Tilt

アプローチ２

Pan/Tilt 回転

水平・垂直移動

LED

アプローチ３

自然光の利⽤

照明-窓システム

4

Mechanical Dynamics Lab.

7

Pan/Tilt

LED

・照射角度制御問題の定式化

・分散制御アルゴリズムの提案

・実験装置を用いた検証

Pan/Tilt 回転

室巻孝郎，南裕樹，徳永泰伸：ロボティック照明システムの分散型照射角度制御，電気学会論⽂誌 C，Vol. 137, No. 1, pp. 120–126 (2017)

Mechanical Dynamics Lab.

8照明制御問題

実際の照度分布を目標分布に近づける

制御問題（本研究）

目標照度分布と点灯パターン（ON/OFF） が与えられる

このとき，実際の照度分布 ≒ 目標分布となるように，

各照明の照射角度を決定せよ

5

Mechanical Dynamics Lab.

9照射位置 → 照射角度

Pan/Tilt

照度の⾼いところに，光が照射されるように照射位置を決める

アプローチ（最適配置問題）

照射位置が決まれば，照射角度（パンチルト角）が決まる

照度

Mechanical Dynamics Lab.

10

評価関数：照射位置のばらつき度合い

問題設定

照射位置 目標照度個の照明

> > > >

6

Mechanical Dynamics Lab.

11最適照射位置問題

目標照度分布 が与えられるとする．このとき，

最適照射位置問題

を最小化する照射位置 を求めよ．

に対するVoronoi領域

勾配

Voronoi領域の重⼼が停留点

Mechanical Dynamics Lab.

12分散制御アルゴリズム

制御アルゴリズム（最急降下法）

Voronoi領域の重⼼を計算 ⇒ 分散計算可

目標照度分布 が与えられるとする．このとき，

最適照射位置問題

を最小化する照射位置 を求めよ．

7

Mechanical Dynamics Lab.

13数値例

目標照度

初期状態

最適解

10個の照明がON

Mechanical Dynamics Lab.

14実験検証

パンチルト回転機構を有する照明ユニット（16個）

8

Mechanical Dynamics Lab.

15実験検証

目標照度分布

照射位置の最適化（照度の⾼い場所を照らす）

＊初期位置

●最適位置

Mechanical Dynamics Lab.

16実験検証

実験の様子（制御前）

実験の様子（制御後）

9

Mechanical Dynamics Lab.

17実験検証

目標照度分布

実際の照度分布（照度計で計測した結果）

Mechanical Dynamics Lab.

18

・実験装置の製作

・３次元位置制御問題の定式化

・モデリングと制御実験

水平・垂直移動

LED

On/Off

Y. Minami and T. Muromaki: Development of a Three-Dimensional Distributed Lighting Control System, SICE Annual Conference 2018, pp. 336–337, (2018/9)

10

Mechanical Dynamics Lab.

19製作した実験装置

1000 [mm]

1000 [mm]

500 [mm]

LED

Wire

Steppermotor

1000 x 1000 x 500 [mm]

９個の照明ユニット

６個の白色LED & Stepper motor

On/Off モード と ３次元位置 を制御

Mechanical Dynamics Lab.

20照明制御問題

照明位置

On/Offモード照明モデル(ガウス関数)

(A1) 光は同心円状に減衰光の強さが光源からの距離の２乗に反⽐例

LED Lights

:平均

:分散

(A2) 照度分布は照明光の重ね合わせ

３次元照度分布

illumi.

Pos.

LED

On/Off

11

Mechanical Dynamics Lab.

21照明制御問題

目標照度分布 が与えられるとする

このとき，

を最小化する位置 と On/Off モード を求めよ

照明位置

On/Offモード照明モデル(ガウス関数)

LED Lights

:平均

:分散

LED

On/Off

Mechanical Dynamics Lab.

22

評価関数

の最小化問題を数値計算で解くと・・・

実験結果

目標照度分布

(25, 75, 20) [cm] (75, 25, 30) [cm]

Light � � �

1 16.0 74.0 0.0

2 35.0 75.0 6.0

3 74.0 26.0 11.0

4 79.0 26.0 29.0

９個中４個がONになった

1 2

3

4

12

Mechanical Dynamics Lab.

23

Target distribution

Actual distribution

z = 0 z = 20 z = 40

z = 0

z = 20

z = 40

6⽅向の照度値の平均値

6 directions

実験結果

Mechanical Dynamics Lab.

24

・実験装置の製作

・点灯＆遮光パターン制御問題の定式化

・分散制御アルゴリズムの提案

自然光の活用光

陰影

点灯パターン

遮光パターン

Y. Minami and Y. Takamoto: Development of a distributed lighting control system,Artificial Life and Robotics (2018)

窓の透光／遮光

13

Mechanical Dynamics Lab.

25

実験装置 (1/6スケール) 照明ユニット (9個)（OSPR3XW3-W4XME1C1E）

電子シェード (9枚)

(FUM2CRL, Nippon Sheet Glass Co., Ltd.）

採光率：Shaded 5%, Transparent 74%

寸法：W100× H100 × t0.4 [mm]

消費電⼒：2.5�W/m

�

実際の照度分布

投光器

照明ユニット

電子シェード

光環境制御システム

Mechanical Dynamics Lab.

26

(1) 窓の遮光パターンの制御(2) 照明の点灯パターンの制御

照度分布制御の様⼦

照度分布制御

14

Mechanical Dynamics Lab.

27光環境制御システム

⇒ 適光適所，自然光の優先利⽤

・照明光と自然光の組み合わせ

・複数の照明/窓を個別に制御

⇒ 照明/窓に分散制御器を搭載，個々の照明・個々の窓がお互いに情報交換

⾃律分散的に点灯/遮光パターンを決定

課題

点灯/遮光パターンをどう求める？

アプローチ

Mechanical Dynamics Lab.

28光環境制御システム

自然光情報 目標照度分布

�

HIGH

LOW

�

点灯パターン��� ∈ �, �

� ∶ �� → ��, ��� ∈ ��

・照明と窓に分散制御器を搭載・個々の照明・個々の窓がお互いに情報交換

点灯消灯採光

���

�

���

ネットワーク構造 �

遮光パターン��� ∈ �, �

遮光

�

照明の分散制御器

��

窓の分散制御器

��

特徴

15

Mechanical Dynamics Lab.

29適光適所と⾃然光の優先利⽤

遮光/採光パターンを先に決定ネットワークを介した

照度情報のやりとり

窓の遮光/採光を決定

照度の過不⾜に応じて照明を点灯/消灯

照明のネットワーク 窓のネットワーク

点灯

点灯

点灯

消灯

消灯

採光

遮光

遮光

遮光

採光

�� ≔ ��� ��� ≔ �� �

⇒⇒⇒⇒ (ii) ⾃然光の優先利⽤の達成度⇒⇒⇒⇒ (i) 適光適所の達成度

目標分布 出⼒分布

≒�

HIGH

LOW

� � ���

は小さくなる⇒⇒⇒⇒

En

erg

yco

nsu

mp

tio

n

点灯数( ��

)の削減⇔⇔⇔⇔照明光の削減⇒⇒⇒⇒⾃然光の優先利⽤

評価関数 ��� ��, �� ≔ �� � ��� を小さくする制御器

Mechanical Dynamics Lab.

30

：点灯

：消灯 ：遮光

照明

：採光

窓

照明/窓の制御（提案手法）

照明のみ制御(窓全閉)

照明のみ制御(窓全開)

�� 3.42

�� 4

目標照度分布

�

�

HIGH

LOW�

(a) (b) (c)

(a) 照明/窓の制御 (提案手法)

実験検証

16

Mechanical Dynamics Lab.

31

照明/窓の制御（提案手法）

照明のみ制御(窓全閉)

照明のみ制御(窓全開)

�� 3.42 3.79

�� 4 6

：点灯

：消灯 ：遮光

照明

：採光

窓目標照度分布

�

�

HIGH

LOW�

(b) 照明のみ制御 (窓全閉)

実験検証

(a) (b) (c)

Mechanical Dynamics Lab.

32

照明/窓の制御（提案手法）

照明のみ制御(窓全閉)

照明のみ制御(窓全開)

�� 3.42 3.79 3.97

�� 4 6 6

� 目標分布に近い⾃然光を利⽤

：点灯

：消灯 ：遮光

照明

：採光

窓目標照度分布

�

�

HIGH

LOW�

(c) 照明のみ制御 (窓全開)

実験検証

(b) (c)

�

(a)

17

Mechanical Dynamics Lab.

33

まとめ

次世代照明（自己組織化照明）の開発に向けて

1 ロボティック照明システムの開発

2 光環境制御システムの開発

人工光 → 照明の点灯パターン自然光 → 窓の遮光パターン

LED

On/Off

Pan/Tilt

LED

光

陰影

点灯パターン

遮光パターン