一种能量发射端及无线能量传输方法
【专利摘要】本发明公开了一种能量发射端及无线能量传输方法，涉及无线能量传输【技术领域】，本发明根据能量接收端的位置信息来选择最佳的分段能量发射线圈，能够提高分段能量发射线圈与接收线圈之间的耦合系数，从而提高了能量传输效率，既降低了病人所受电磁辐射，又使得系统可以通过便携式锂电池进行供能，使得病人更加自由。
【专利说明】一种能量发射端及无线能量传输方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线能量传输【技术领域】，特别涉及一种能量发射端及无线能量传输方法。
【背景技术】
[0002]胶囊内窥镜的出现使医学内窥镜技术进入新时代，它不仅解决了传统内窥镜无法检查小肠部位的缺陷，而且让患者的痛苦大大降低。但是，目前现有的可移动的植入式医疗设备仅配备了 I个或2个摄像头，且只能依靠肠道的蠕动来被动运动，然后拍摄肠道图像。随着临床需求的不断增加，可移动的植入式医疗设备需要集成更多的功能，例如:通过螺旋桨来实现主动运动的无线内窥镜胶囊、通过针管来施放药物的胶囊、通过机械装置实现活体检测的可移动的植入式医疗设备。更多的功能导致更大的功耗或者更大的空间，这样可移动的植入式医疗设备内部的纽扣电池就不能满足其需求了，与此同时，通过无线能量传输为可移动的植入式医疗设备(为便于简化说法，以下均称其为“能量接收端”)供能是一个较有前途的方向。
[0003]通过在能量发射端与能量接收端分别设置一组线圈，发射端的线圈连接功率放大器，并产生交变电磁场，接收端的线圈在交变电磁场中感应出电动势，从而将能量传输给后端电路。目前接收端大多采用三维正交的接收线圈，发射端的主要有两种线圈结构，单一螺旋线圈和亥姆霍兹线圈。上述两种发射线圈与接收线圈间的耦合系数较低，导致无线能量传输效率较低。一方面需要一根电缆与设备进行连接供电，限制了病人的自由；另一方面由低传输效率带来的更大发射功率使得病人暴露在更强的电磁辐射中，导致无线能量传输的安全性下降。
【发明内容】
[0004](一)要解决的技术问题
[0005]本发明要解决的技术问题是:如何提高无线能量传输效率，使得无需采用电缆供电，并降低无线能量传输的电磁福射。
[0006](二)技术方案
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供了一种能量发射端，所述能量发射端包括:多组分段能量发射线圈、能量供应单元、多路选择单元、位置信息获取单元和控制单元，所述位置信息获取单元、控制单元、多路选择单元和多组分段能量发射线圈依次连接，所述能量供应单元与所述多路选择单元、控制单元和位置信息获取单元分别连接，
[0008]所述位置信息获取单元，用于获取能量接收端的位置信息；
[0009]所述控制单元，用于接收并根据所述位置信息控制所述多路选择单元；
[0010]所述多路选择单元，用于在所述控制单元的控制下，选择所述多组分段能量发射线圈中的至少一组线圈与所述能量供应单元连通；
[0011]所述多组分段能量发射线圈，用于在与所述能量供应单元连通时，发射无线能量，以保证无线传输效率。
[0012]其中，所述位置信息获取单元包括:定位子单元和/或无线数据接收子单元，
[0013]所述定位子单元，用于获取能量接收端的位置坐标；
[0014]所述无线数据接收子单元，用于获取能量接收端的无线能量强度数据。
[0015]其中，所述能量供应单元包括:电源、振荡器、功率放大器、阻抗匹配网络和谐振电容，所述电源、振荡器、功率放大器、阻抗匹配网络依次连接，所述电源与所述控制单元、位置信息获取单元和功率放大器分别连接，所述谐振电容设于所述阻抗匹配网络与所述多路选择单元之间、或设于每组分段能量发射线圈与多路选择单元之间。
[0016]其中，当所述谐振电容设于所述阻抗匹配网络与所述多路选择单元之间时，所述谐振电容的数量为一个；或，所述谐振电容的数量与所述多组分段能量发射线圈的线圈数量相同、且--对应。
[0017]其中，当P-为整数时，则每组分段能量发射线圈的高度H均相同；
[0018]当Popt不为整数时，则总高度为Ht的能量发射线圈分为Poptl组高度为
【权利要求】
1.一种能量发射端，其特征在于，所述能量发射端包括:多组分段能量发射线圈、能量供应单元、多路选择单元、位置信息获取单元和控制单元，所述位置信息获取单元、控制单元、多路选择单元和多组分段能量发射线圈依次连接，所述能量供应单元与所述多路选择单元、控制单元和位置信息获取单元分别连接， 所述位置信息获取单元，用于获取能量接收端的位置信息； 所述控制单元，用于接收并根据所述位置信息控制所述多路选择单元； 所述多路选择单元，用于在所述控制单元的控制下，选择所述多组分段能量发射线圈中的至少一组线圈与所述能量供应单元连通； 所述多组分段能量发射线圈，用于在与所述能量供应单元连通时，发射无线能量，以保证无线传输效率。
2.如权利要求1所述的能量发射端，其特征在于，所述位置信息获取单元包括:定位子单元和/或无线数据接收子单元， 所述定位子单元，用于获取能量接收端的位置坐标； 所述无线数据接收子单元，用于获取能量接收端的无线能量强度数据。
3.如权利要求1或2所述的能量发射端，其特征在于，所述能量供应单元包括:电源、振荡器、功率放大器、阻抗匹配网络和谐振电容，所述电源、振荡器、功率放大器、阻抗匹配网络依次连接，所述电源与所述控制单元、位置信息获取单元和功率放大器分别连接，所述谐振电容设于所述阻抗匹配网络与所述多路选择单元之间、或设于每组分段能量发射线圈与多路选择单元之间。
4.如权利要求3所述的能量发射端，其特征在于，当所述谐振电容设于所述阻抗匹配网络与所述多路选择单元之间时，所述谐振电容的数量为一个；或，所述谐振电容的数量与所述多组分段能量发射线圈的线圈数量相同、且一一对应。
5.如权利要求1或2所述的能量发射端系统，其特征在于，当P_为整数时，则每组分段能量发射线圈的高度H均相同； 当P_不为整数时，则总高度为Ht的能量发射线圈分为Ptjptl组高度为
6.一种无线能量传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: Al:每隔预设时间t，位置信息获取单元获取能量接收端的位置坐标； A2:控制单元判断所述能量接收端是否位于最下方的分段能量发射线圈的范围内，若是，则执行步骤A4，否则执行步骤A3 ； A3:所述控制单元根据所述位置坐标确定距离所述能量接收端最近的分段能量发射线圈，并控制多路选择单元，使得所述距离所述能量接收端最近的分段能量发射线圈与所述能量供应单元连通，以使得所述距离所述能量接收端最近的分段能量发射线圈进行工作，并返回步骤Al ； A4:将所述最下方的分段能量发射线圈作为当前线圈，并保持所述当前线圈工作至设定时间后，结束流程。
7.一种无线能量传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: B1:控制单元随机选取除最上方的分段能量发射线圈和最下方的分段能量发射线圈之外的任一分段能量发射线圈作为当前线圈J，并将当前线圈J与能量供应单元连通，位置信息获取单元获取当前线圈J对应的无线能量强度数据Ej ； B2:当前线圈J工作预设时间t之后，判断当前线圈J是否为最上方分段能量发射线圈，若是，则执行步骤B3，否则所述控制单元将当前线圈J工作切换至线圈J-1工作，所述位置信息获取单元获取当前线圈J-1对应的无线能量强度数据Ep1,比较和Ep1,若EpAEj,则执行步骤Β4，否则执行步骤Β3，所述线圈J-1为与所述当前线圈J相邻且位于所述当前线圈J上方的分段能量发射线圈； Β3:所述控制单元切换至线圈J+1工作，所述位置信息获取单元获取当前线圈J+1对应的无线能量强度数据Ep1,比较和Ep1,若Ew>Ep则执行步骤B4，否则所述控制单元将线圈J+1工作切换至线圈J工作，并返回步骤B2，所述线圈J+1为与所述当前线圈J相邻且位于所述当前线圈J下方的分段能量发射线圈； B4:将正在工作的线圈 记为当前线圈J，并判断当前线圈J是否为最下方的分段能量发射线圈，若是，则保持所述当前线圈工作至设定时间后，结束流程，否则，返回步骤B2。
8.一种无线能量传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: Cl:控制单元随机选取除最上方的分段能量发射线圈和最下方的分段能量发射线圈之外的任一分段能量发射线圈作为当前线圈J，并将当前线圈J与能量供应单元连通，位置信息获取单元获取当前线圈J对应的无线能量强度数据Ej ； C2:当前线圈J工作预设时间t之后，所述控制单元使得当前线圈J和线圈J-1同时工作，所述位置信息获取单元获取对应的无线能量强度数据Eum，所述线圈J-1为与所述当前线圈J相邻且位于所述当前线圈J上方的分段能量发射线圈； C3:比较Ej和Ej^，若^/Ej≤1，则所述控制单元仅使线圈J-1工作，所述位置信息获取单元获取对应的无线能量强度数据Ep1,并执行步骤C4，否则执行步骤C5 ； C4:比较Ej和Ε」_1;若E^/Ej≤1，则执行步骤C8，否则所述控制单元仅使线圈J工作，并执行步骤CS; C5:所述控制单元使得当前线圈J和线圈J+1同时工作，所述位置信息获取单元获取对应的无线能量强度数据Ευ+1，所述线圈J+1为与所述当前线圈J相邻且位于所述当前线圈J下方的分段能量发射线圈； C6:比较Ej和j+1，若Ε」，」+1/Ε」≤1，则所述控制单元仅使线圈J+1工作，所述位置信息获取单元获取对应的无线能量强度数据Ep1,并执行步骤C7，否则执行步骤C2 ； C7:比较Ej和Ej+1，若Ε」+1/Ε」≤1，则执行步骤C8，否则所述控制单元仅使线圈J工作，并执行步骤C2 ； CS:将正在工作的线圈记为当前线圈J，并判断当前线圈J是否为最下方的分段能量发射线圈，若是，则保持所述当前线圈工作至设定时间后，结束流程，否则，返回步骤C2。
9.一种无线能量传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: Dl:每隔预设时间t，位置信息获取单元获取能量接收端的位置坐标； D2:控制单元判断所述能量接收端是否位于最下方的分段能量发射线圈的范围内，若是，则执行步骤D6，否则执行步骤D3 ； D3:所述控制单元根据所述位置坐标确定距离所述能量接收端最近的分段能量发射线圈，将所述距离所述能量接收端最近的分段能量发射线圈作为当前线圈，并控制多路选择单元，使得所述当前线圈与所述能量供应单元连通，以使得所述当前线圈进行工作，并执行步骤D4 ； D4:所述控制单元根据所述位置坐标确定所述能量接收端是否位于当前线圈的内部，若位于当前线圈的内部，则执行步骤D1，若位于相邻两个分段发射线圈边缘所构成的区域，则所述位置信息获取单元获取对应的无线能量强度数据E1,并执行步骤D5 ； D5:所述控制单元将当前线圈工作切换至所述相邻两个分段发射线圈中的另一个线圈工作，所述位置信息获取单元获取对应的无线能量强度数据E2,若E1 > E2,则所述控制单元将所述另一个线圈工作切换至当前线圈工作，并返回步骤D1，否则返回步骤Dl ； D6:将所述最下方的分段能量发射线圈作为当前线圈，并保持所述当前线圈工作至设定时间后，结束流程。
10.一种无线能量传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: El:每隔预设时间t，位置信息获取单元获取能量接收端的位置坐标； E2:控制单元判断所述能量接收端是否位于最上方的分段能量发射线圈或最下方的分段能量发射线圈的范围内，若是，则执行步骤E3，否则执行步骤E4 ； E3:若所述能量接收端位于区域Z1或ZP，则所述控制单元使对应的线圈I或线圈P单独工作，并执行步骤E5，若所述能量接收端位于区域Zm2或ZP_1&P，则所述控制单元使对应的线圈I及线圈2或线圈P-1及线圈P同时工作，并执行步骤E5，所述分段能量发射线圈共有P组，且从上至下分别称为线圈1，...，Ρ，所述区域Z1S从线圈I的中间向下扩展至少一匝与所述线圈I的顶端之间所形成的区域，所述区域Zp为从线圈P的中间向上扩展至少一匝与所述线圈P的底端之间所形成的区域，所述区域Zik为区域Z1及区域Z2之间的区域，区域ΖΡ_1&Ρ为区域Zim及区域Zp之间的区域； Ε4:将所述能量接收端所处的线圈记为J，若能量接收端位于区域Z1，则所述控制单元使线圈J-1、线圈J及线圈J+1同时工作，并执行步骤Ε5，若能量接收端位于区域Zj_lw或Zw+1，则所述控制单元使对应的线圈J-1及线圈J或线圈J及线圈J+1同时工作，并执行步骤E5，所述区域Zj为从线圈J的中间分别向上下扩展至少一匝所形成的区域，>2，...，Ρ-1，区域ZT_1W为区域Zp1及区域Z1之间的区域，区域ZMJ+1为区域Z1及区域ZJ+1之间的区域；E5:工作预设时间t后，判断是否到达设定时间，若是，则结束流程，否则返回步骤E1。
【文档编号】H02J17/00GK103944281SQ201410150931
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】谢翔, 黄亚东, 李国林, 谷荧柯, 李欢欢, 王志华 申请人:清华大学