(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気流を発生する推進器を稼働させることにより推力を発生させる飛行制御部と、
反応ガスを燃料として前記飛行制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、
前記反応ガスを前記燃料電池電源装置の外部に排出する、開閉可能な反応ガス排出口と、
前記推進器の稼働状態に応じて、前記反応ガス排出口の開閉を制御する反応ガス排出口制御部と、
を備え、
前記反応ガス排出口制御部は、前記推進器の発生する推力が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可する、
ドローン。
【請求項２】
気流を発生する推進器を稼働させることにより推力を発生させる飛行制御部と、
反応ガスを燃料として前記飛行制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、
前記反応ガスを前記燃料電池電源装置の外部に排出する、開閉可能な反応ガス排出口と、
前記推進器の稼働状態に応じて、前記反応ガス排出口の開閉を制御する反応ガス排出口制御部と、
を備え、
前記推進器は、回転動作を行う回転翼で構成され、
前記反応ガス排出口制御部は、前記回転翼の回転速度が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可する、
ドローン。
【請求項３】
前記反応ガス排出口制御部は、前記推進器が発生させる気流により、前記反応ガス排出口から排出される反応ガスの濃度を所定の濃度以下に調整する反応ガス濃度調整部を備える、
請求項１又は２記載のドローン。
【請求項４】
前記反応ガス濃度調整部は、所定時間後に反応ガスが排出されることを予測し、前記予測に基づいて反応ガスの濃度を調整する、
請求項３記載のドローン。
【請求項５】
前記反応ガス濃度調整部は、所定時間後に排出される反応ガスの流量を予測し、前記流量により排出が予測される反応ガスの濃度が、前記推進器が発生させている前記気流により希釈可能な濃度を上回るとき、前記推進器の稼働量を上昇させる要請指令を前記飛行制御部に出力する、
請求項３又は４記載のドローン。
【請求項６】
前記ドローンは複数の推進器を有し、前記反応ガス濃度調整部により１個の前記推進器の稼働量の上昇が要請されるとき、前記飛行制御部は、当該稼働量に基づいてすべての前記推進器の稼働量を制御する、
請求項３乃至５のいずれかに記載のドローン。
【請求項７】
反応ガスの排出流量を調整する反応ガス流量調整部をさらに備え、
前記反応ガス流量調整部は、前記推進器の稼働量に基づいて、当該稼働量の前記推進器により所定濃度以下に希釈可能な流量になるように、前記排出流量を調整する、
請求項１乃至６のいずれかに記載のドローン。
【請求項８】
前記燃料電池電源装置から排出される前記反応ガスを、前記推進器によって生じる気流の流路中に導く反応ガス排出管をさらに備える、
請求項１乃至７のいずれかに記載のドローン。
【請求項９】
前記反応ガス排出管の排出口は、前記推進器によって生じる気流のうち前記ドローンから離れる方向に進行する下降気流の流路中に配置されている、
請求項８記載のドローン。
【請求項１０】
前記燃料電池電源装置に流入する、前記反応ガスとは異なる第２反応ガスを、前記推進器によって生じる気流の流路中から前記燃料電池電源装置に流入させる第２反応ガス吸入管をさらに備える、
請求項１乃至９のいずれかに記載のドローン。
【請求項１１】
前記第２反応ガス吸入管の吸入口は、前記推進器によって生じる気流のうち前記ドローンから離れる方向に進行する下降気流の流路中に配置されている、
請求項１０記載のドローン。
【請求項１２】
前記ドローンは複数の推進器を有し、前記第２反応ガス吸入管の吸入口は、前記燃料電池電源装置から排出される前記反応ガスを、前記推進器によって生じる気流の流路中に導く反応ガス排出管が配置される前記推進器とは異なる推進器が生じる気流の流路中に配置されている、
請求項１０又は１１記載のドローン。
【請求項１３】
前記燃料電池電源装置は、膜電極構造体で仕切られた一方側に前記反応ガスを吸入する吸入口と前記反応ガス排出口を備え、他方側に前記第２反応ガス吸入管の吸入口と空気を前記燃料電池電源装置の外部に排出する第２排出口を備える、
請求項１０乃至１２のいずれかに記載のドローン。
【請求項１４】
前記第２反応ガスは、酸素である、請求項１０乃至１３のいずれかに記載のドローン。
【請求項１５】
前記反応ガスは、水素ガスである、請求項１乃至１４のいずれかに記載のドローン。
【請求項１６】
気流を発生する推進器を稼働させることにより推力を発生させる飛行制御部と、
反応ガスを燃料として前記飛行制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、
前記反応ガスを前記燃料電池電源装置の外部に排出する、開閉可能な反応ガス排出口と、
を有するドローンの制御方法であって、
前記推進器を稼働させることにより気流を発生させる稼働ステップと、
前記飛行制御部に電力を供給する供給ステップと、
前記推進器の稼働状態に応じて、前記反応ガス排出口の開閉を制御する排出制御ステップと、
を含み、
前記排出制御ステップは、前記推進器の発生する推力が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可する、
ドローンの制御方法。
【請求項１７】
気流を発生する推進器を稼働させることにより推力を発生させる飛行制御部と、
反応ガスを燃料として前記飛行制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、
前記反応ガスを前記燃料電池電源装置の外部に排出する、開閉可能な反応ガス排出口と、
を有するドローンの制御方法であって、
前記推進器を稼働させることにより気流を発生させる稼働ステップと、
前記飛行制御部に電力を供給する供給ステップと、
前記推進器の稼働状態に応じて、前記反応ガス排出口の開閉を制御する排出制御ステップと、
を含み、
前記推進器は、回転動作を行う回転翼で構成され、
前記排出制御ステップは、前記回転翼の回転速度が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可する、
ドローンの制御方法。
【請求項１８】
前記排出制御ステップは、前記推進器が発生させる気流により、前記反応ガス排出口から排出される反応ガスの濃度を所定の濃度以下に調整する反応ガス濃度調整ステップを含む、
請求項１６又は１７記載のドローンの制御方法。
【請求項１９】
気流を発生する推進器を稼働させることにより推力を発生させる飛行制御部と、
反応ガスを燃料として前記飛行制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、
前記反応ガスを前記燃料電池電源装置の外部に排出する、開閉可能な反応ガス排出口と、
を有するドローンの制御プログラムであって、
前記推進器を稼働させることにより気流を発生させる稼働命令と、
前記飛行制御部に電力を供給する供給命令と、
前記推進器の稼働状態に応じて、前記反応ガス排出口の開閉を制御する排出制御命令と、
をコンピュータに実行させ、
前記排出制御命令は、前記推進器の発生する推力が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可する、
ドローンの制御プログラム。
【請求項２０】
気流を発生する推進器を稼働させることにより推力を発生させる飛行制御部と、
反応ガスを燃料として前記飛行制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、
前記反応ガスを前記燃料電池電源装置の外部に排出する、開閉可能な反応ガス排出口と、
を有するドローンの制御プログラムであって、
前記推進器を稼働させることにより気流を発生させる稼働命令と、
前記飛行制御部に電力を供給する供給命令と、
前記推進器の稼働状態に応じて、前記反応ガス排出口の開閉を制御する排出制御命令と、
をコンピュータに実行させ、
前記推進器は、回転動作を行う回転翼で構成され、
前記排出制御命令は、前記回転翼の回転速度が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可する、
ドローンの制御プログラム。
【請求項２１】
前記排出制御命令は、前記推進器が発生させる気流により、前記反応ガス排出口から排出される反応ガスの濃度を所定の濃度以下に調整する反応ガス濃度調整命令を含む、
請求項１９又は２０記載のドローンの制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ドローン、ドローンの制御方法、および、ドローン制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にドローンと呼ばれる小型ヘリコプター（マルチコプター）の応用が進んでいる。その重要な応用分野の一つとして農地（圃場）への農薬や液肥などの薬剤散布が挙げられる（たとえば、特許文献１）。比較的狭い農地においては、有人の飛行機やヘリコプターではなくドローンの使用が適しているケースが多い。【０００３】
準天頂衛星システムやRTK-GPS（Real Time Kinematic - Global Positioning System）などの技術によりドローンが飛行中に自機の絶対位置をセンチメートル単位で正確に知ることができるようになったことで、日本において典型的な狭く複雑な地形の農地でも、人手による操縦を最小限として自律的に飛行し、効率的かつ正確に薬剤散布を行なえるようになっている。【０００４】
その一方で、農業用の薬剤散布向け自律飛行型ドローンについては安全性に対する考慮が十分とは言いがたいケースがあった。薬剤を搭載したドローンの重量は数10キログラムになるため、人の上に落下する等の事故が起きた場合に重大な結果を招きかねない。また、通常、ドローンの操作者は専門家ではないためフールプルーフの仕組みが必要であるが、これに対する考慮も不十分であった。今までに、人間による操縦を前提としたドローンの安全性技術は存在していたが（たとえば、特許文献２）、特に農業用の薬剤散布向けの自律飛行型ドローンに特有の安全性課題に対応するための技術は存在していなかった。【０００５】
また、発電効率が良く、環境にも優しいことが知られている発電機構として、燃料電池が知られている。ドローンが安全に安定して飛行するためには、燃料電池を制御して安定した電力供給を行うことが不可欠である。さらに、燃料電池の外部に放出される水素ガスは可燃性であるため、所定以上の濃度で大気に放出されると、発火等の恐れがある。そこで、燃料電池から水素ガスが放出される場合であっても安全性を担保する技術が必要とされている。今までに、燃料電池を有するマルチコプタに関する技術は開示されていたが（例えば、特許文献３）、高い安全性を担保するために燃料電池を制御する技術は存在していなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許公開公報  特開２００１−１２０１５１
【特許文献２】特許公開公報  特開２０１７−１６３２６５
【特許文献３】特許公開公報  特開２０１７−１１４１８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池を動力として動作し、飛行中に反応ガスを放出する構成であっても、高い安全性を維持できるドローンを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一の観点に係るドローンは、気流を発生する推進器を稼働させることにより推力を発生させる飛行制御部と、反応ガスを燃料として前記飛行制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、前記反応ガスを前記燃料電池電源装置の外部に排出する、開閉可能な反応ガス排出口と、前記推進器の稼働状態に応じて、前記反応ガス排出口の開閉を制御する反応ガス排出口制御部と、を備える。【０００９】
前記反応ガス排出口制御部は、前記推進器の発生する推力が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可するものとしてもよい。【００１０】
前記推進器は、回転動作を行う回転翼で構成され、
前記反応ガス排出口制御部は、前記回転翼の回転速度が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可するものとしてもよい。【００１１】
前記反応ガス排出口制御部は、前記推進器が発生させる気流により、前記反応ガス排出口から排出される反応ガスの濃度を所定の濃度以下に調整する反応ガス濃度調整部を備えるものとしてもよい。【００１２】
前記反応ガス濃度調整部は、所定時間後に反応ガスが排出されることを予測し、前記予測に基づいて反応ガスの濃度を調整するものとしてもよい。【００１３】
前記反応ガス濃度調整部は、所定時間後に排出される反応ガスの流量を予測し、前記流量により排出が予測される反応ガスの濃度が、前記推進器が発生させている前記気流により希釈可能な濃度を上回るとき、前記推進器の稼働量を上昇させる要請指令を前記飛行制御部に出力するものとしてもよい。【００１４】
前記ドローンは複数の推進器を有し、前記反応ガス濃度調整部により１個の前記推進器の稼働量の上昇が要請されるとき、前記飛行制御部は、当該稼働量に基づいてすべての前記推進器の稼働量を制御するものとしてもよい。【００１５】
反応ガスの排出流量を調整する反応ガス流量調整部をさらに備え、
前記反応ガス流量調整部は、前記推進器の稼働量に基づいて、当該稼働量の前記推進器により所定濃度以下に希釈可能な流量になるように、前記排出流量を調整するものとしてもよい。【００１６】
前記燃料電池電源装置から排出される前記反応ガスを、前記推進器によって生じる気流の流路中に導く反応ガス排出管をさらに備えるものとしてもよい。【００１７】
前記反応ガス排出管の排出口は、前記推進器によって生じる気流のうち前記ドローンから離れる方向に進行する下降気流の流路中に配置されているものとしてもよい。【００１８】
前記燃料電池電源装置に流入する、前記反応ガスとは異なる第２反応ガスを、前記推進器によって生じる気流の流路中から前記燃料電池電源装置に流入させる第２反応ガス吸入管をさらに備えるものとしてもよい。【００１９】
前記第２反応ガス吸入管の吸入口は、前記推進器によって生じる気流のうち前記ドローンから離れる方向に進行する下降気流の流路中に配置されているものとしてもよい。【００２０】
前記ドローンは複数の推進器を有し、前記第２反応ガス吸入管の吸入口は、前記反応ガス排出管が配置される前記推進器とは異なる推進器が生じる気流の流路中に配置されているものとしてもよい。【００２１】
前記燃料電池電源装置は、膜電極構造体で仕切られた一方側に前記反応ガスを吸入する吸入口と前記反応ガス排出口を備え、他方側に前記第２反応ガス吸入管の吸入口と空気を燃料電池電源装置の外部に排出する第２排出口を備えるものとしてもよい。【００２２】
前記第２反応ガスは、酸素であってもよい。【００２３】
前記反応ガスは、水素ガスであってもよい。【００２４】
上記目的を達成するため、本発明の別の観点に係るドローンの制御方法は、気流を発生する推進器を稼働させることにより推力を発生させる飛行制御部と、反応ガスを燃料として前記飛行制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、前記反応ガスを前記燃料電池電源装置の外部に排出する、開閉可能な反応ガス排出口と、を有するドローンの制御方法であって、前記推進器を稼働させることにより気流を発生させる稼働ステップと、前記飛行制御部に電力を供給する供給ステップと、前記推進器の稼働状態に応じて、前記反応ガス排出口の開閉を制御する排出制御ステップと、を含む。【００２５】
前記排出制御ステップは、前記推進器の発生する推力が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可するものとしてもよい。【００２６】
前記推進器は、回転動作を行う回転翼で構成され、前記排出制御ステップは、前記回転翼の回転速度が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可するものとしてもよい。【００２７】
前記排出制御ステップは、前記推進器が発生させる気流により、前記反応ガス排出口から排出される反応ガスの濃度を所定の濃度以下に調整する反応ガス濃度調整ステップを含むものとしてもよい。【００２８】
上記目的を達成するため、本発明のさらに別の観点に係るドローンの制御プログラムは、気流を発生する推進器を稼働させることにより推力を発生させる飛行制御部と、反応ガスを燃料として前記飛行制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、前記反応ガスを前記燃料電池電源装置の外部に排出する、開閉可能な反応ガス排出口と、を有するドローンの制御プログラムであって、前記推進器を稼働させることにより気流を発生させる稼働命令と、前記飛行制御部に電力を供給する供給命令と、前記推進器の稼働状態に応じて、前記反応ガス排出口の開閉を制御する排出制御命令と、をコンピュータに実行させる。【００２９】
前記排出制御命令は、前記推進器の発生する推力が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可するものとしてもよい。【００３０】
前記推進器は、回転動作を行うプロペラで構成され、前記排出制御命令は、前記プロペラの回転速度が所定値未満もしくは停止している場合に、前記反応ガス排出口の開動作を禁止し、前記推進器の発生する推力が所定値以上の場合に、前記反応ガス排出口の開動作を許可するものとしてもよい。【００３１】
前記排出制御命令は、前記推進器が発生させる気流により、前記反応ガス排出口から排出される反応ガスの濃度を所定の濃度以下に調整する反応ガス濃度調整命令を含むものとしてもよい。
【発明の効果】
【００３２】
燃料電池を動力として動作し、飛行中に反応ガスを放出する構成であっても、高い安全性を維持できるドローンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本願発明に係るドローンの第１実施形態を示す平面図である。
【図２】上記ドローンの正面図である。
【図３】上記ドローンの右側面図である。
【図４】上記ドローンの背面図である。
【図５】上記ドローンの斜視図である。
【図６】上記ドローンが有する薬剤散布システムの全体概念図である。
【図７】上記ドローンの制御機能を表した模式図である。
【図８】上記ドローンが有する制御部および燃料電池電源装置の機能ブロック図である。
【図９】上記燃料電池電源装置が有する燃料電池および反応ガス供給部の模式図である。
【図１０】上記燃料電池および上記反応ガス供給部と、燃料電池計測部の様子を示す模式図である。
【図１１】上記ドローンの回転翼が発生させる下降気流の様子を示す図であって、(a)実験図、（b）上記実験図を模式的に示す図、および（c）上記ドローンが移動しているときの下降気流の様子を示す模式図である。
【図１２】上記燃料電池が有する膜電極構造体のI―V特性を示す概略図である。
【図１３】上記ドローンが有する水素濃度調整部が、水素ガスの排出濃度を調整するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図を参照しながら、本願発明を実施するための形態について説明する。図はすべて例示である。以下の詳細な説明では、説明のために、開示された実施形態の完全な理解を促すために、ある特定の詳細について述べられている。しかしながら、実施形態は、これらの特定の詳細に限られない。また、図面を単純化するために、周知の構造および装置については概略的に示されている。
【００３５】
まず、本発明にかかるドローンが有する、ドローンの構成について説明する。本願明細書において、ドローンとは、動力手段（電力、原動機等）、操縦方式（無線であるか有線であるか、および、自律飛行型であるか手動操縦型であるか等）を問わず、複数の回転翼を有する飛行体全般を指すこととする。
【００３６】
図１乃至図５に示すように、回転翼101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4b（ローターとも呼ばれる）は、ドローン100を飛行させるための手段であり、飛行の安定性、機体サイズ、および、電力消費量のバランスを考慮し、8機（2段構成の回転翼が4セット）備えられている。各回転翼101は、ドローン100の本体110からのび出たアームにより本体110の四方に配置されている。すなわち、進行方向左後方に回転翼101-1a、101-1b、左前方に回転翼101-2a、101-2b、右後方に回転翼101-3a、101-3b、右前方に回転翼101-4a、101-4bがそれぞれ配置されている。なお、ドローン100は図１における紙面下向きを進行方向とする。
【００３７】
モーター102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、102-4ａ、102-4bは、回転翼101-1a、101-1b、101-2a、101-2b、101-3a、101-3b、101-4a、101-4bを回転させる手段（典型的には電動機だが発動機等であってもよい）であり、一つの回転翼に対して1機設けられている。モーター102は、推進器の例である。１セット内の上下の回転翼（たとえば、101-1aと101-1b）、および、それらに対応するモーター（たとえば、102-1aと102-1b）は、ドローンの飛行の安定性等のために軸が同一直線上にあり、かつ、互いに反対方向に回転する。図２、および、図３に示されるように、ローターが異物と干渉しないよう設けられたプロペラガードを支えるための放射状の部材は水平ではなくやぐら状の構造である。衝突時に当該部材が回転翼の外側に座屈することを促し、ローターと干渉することを防ぐためである。
【００３８】
薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4は、薬剤を下方に向けて散布するための手段であり4機備えられている。なお、本願明細書において、薬剤とは、農薬、除草剤、液肥、殺虫剤、種、および、水などの圃場に散布される液体または粉体を一般的に指すこととする。
【００３９】
薬剤タンク104は散布される薬剤を保管するためのタンクであり、重量バランスの観点からドローン100の重心に近い位置でかつ重心より低い位置に設けられている。薬剤ホース105-1、105-2、105-3、105-4は、薬剤タンク104と各薬剤ノズル103-1、103-2、103-3、103-4とを接続する手段であり、硬質の素材から成り、当該薬剤ノズルを支持する役割を兼ねていてもよい。ポンプ106は、薬剤をノズルから吐出するための手段である。
【００４０】
図６に本願発明に係るドローン100の薬剤散布用途の実施例を使用したシステムの全体概念図を示す。本図は模式図であって、縮尺は正確ではない。操縦器401は、使用者402の操作によりドローン100に指令を送信し、また、ドローン100から受信した情報（たとえば、位置、薬剤量、電池残量、カメラ映像等）を表示するための手段であり、コンピューター・プログラムを稼働する一般的なタブレット端末等の携帯情報機器によって実現されてよい。本願発明に係るドローン100は自律飛行を行なうよう制御されるが、離陸や帰還などの基本操作時、および、緊急時にはマニュアル操作が行なえるようになっていてもよい。携帯情報機器に加えて、緊急停止専用の機能を有する非常用操作機（図示していない）を使用してもよい（非常用操作機は緊急時に迅速に対応が取れるよう大型の緊急停止ボタン等を備えた専用機器であってもよい）。操縦器401とドローン100はWi-Fi等による無線通信を行う。
【００４１】
圃場403は、ドローン100による薬剤散布の対象となる田圃や畑等である。実際には、圃場403の地形は複雑であり、事前に地形図が入手できない場合、あるいは、地形図と現場の状況が食い違っている場合がある。通常、圃場403は家屋、病院、学校、他作物圃場、道路、鉄道等と隣接している。また、圃場403内に、建築物や電線等の障害物が存在する場合もある。
【００４２】
基地局404は、Wi-Fi通信の親機機能等を提供する装置であり、RTK-GPS基地局としても機能し、ドローン100の正確な位置を提供できるようになっていてもよい（Wi-Fi通信の親機機能とRTK-GPS基地局が独立した装置であってもよい）。営農クラウド405は、典型的にはクラウドサービス上で運営されているコンピュータ群と関連ソフトウェアであり、操縦器401と携帯電話回線等で無線接続されていてもよい。営農クラウド405は、ドローン100が撮影した圃場403の画像を分析し、作物の生育状況を把握して、飛行ルートを決定するための処理を行ってよい。また、保存していた圃場403の地形情報等をドローン100に提供してよい。加えて、ドローン100の飛行および撮影映像の履歴を蓄積し、様々な分析処理を行ってもよい。
【００４３】
通常、ドローン100は圃場403の外部にある発着点406から離陸し、圃場403に薬剤を散布した後に、あるいは、薬剤補充や充電等が必要になった時に発着点406に帰還する。発着点406から目的の圃場403に至るまでの飛行経路（侵入経路）は、営農クラウド405等で事前に保存されていてもよいし、使用者402が離陸開始前に入力してもよい。
【００４４】
図７に本願発明に係る薬剤散布用ドローンの実施例の制御機能を表したブロック図を示す。フライトコントローラー501は、ドローン全体の制御を司る構成要素であり、具体的にはCPU、メモリー、関連ソフトウェア等を含む組み込み型コンピュータであってよい。フライトコントローラー501は、操縦器401から受信した入力情報、および、後述の各種センサーから得た入力情報に基づき、ESC（Electronic Speed Control）等の制御手段を介して、モーター102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-bの回転数を制御することで、ドローン100の飛行を制御する。モーター102-1a、102-1b、102-2a、102-2b、102-3a、102-3b、104-a、104-bの実際の回転数はフライトコントローラー501にフィードバックされ、正常な回転が行なわれているかを監視できる構成になっている。あるいは、回転翼101に光学センサー等を設けて回転翼101の回転がフライトコントローラー501にフィードバックされる構成でもよい。
【００４５】
フライトコントローラー501が使用するソフトウェアは、機能拡張・変更、問題修正等のために記憶媒体等を通じて、または、Wi-Fi通信やUSB等の通信手段を通じて書き換え可能になっている。この場合において、不正なソフトウェアによる書き換えが行なわれないように、暗号化、チェックサム、電子署名、ウィルスチェックソフト等による保護が行われている。また、フライトコントローラー501が制御に使用する計算処理の一部が、操縦器401上、または、営農クラウド405上や他の場所に存在する別のコンピュータによって実行されてもよい。フライトコントローラー501は重要性が高いため、その構成要素の一部または全部が二重化されていてもよい。
【００４６】
フライトコントローラー501は、Wi-Fi子機機能503を介して、さらに、基地局404を介して操縦器401とやり取りを行ない、必要な指令を操縦器401から受信すると共に、必要な情報を操縦器401に送信できる。この場合に、通信には暗号化を施し、傍受、成り済まし、機器の乗っ取り等の不正行為を防止できるようにしておいてもよい。基地局404は、Wi-Fiによる通信機能に加えて、RTK-GPS基地局の機能も備えている。RTK基地局の信号とGPS測位衛星からの信号を組み合わせることで、フライトコントローラー501により、ドローン100の絶対位置を数センチメートル程度の精度で測定可能となる。フライトコントローラー501は重要性が高いため、二重化・多重化されていてもよく、また、特定のGPS衛星の障害に対応するため、冗長化されたそれぞれのフライトコントローラー501は別の衛星を使用するよう制御されていてもよい。
【００４７】
６軸ジャイロセンサー505はドローン機体の互いに直交する３方向の加速度を測定する手段（さらに、加速度の積分により速度を計算する手段）である。６軸ジャイロセンサー505は、上述の３方向におけるドローン機体の姿勢角の変化、すなわち角速度を測定する手段である。地磁気センサー506は、地磁気の測定によりドローン機体の方向を測定する手段である。気圧センサー507は、気圧を測定する手段であり、間接的にドローンの高度も測定することもできる。レーザーセンサー508は、レーザー光の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段であり、IR（赤外線）レーザーであってもよい。ソナー509は、超音波等の音波の反射を利用してドローン機体と地表との距離を測定する手段である。これらのセンサー類は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよい。また、機体の傾きを測定するためのジャイロセンサー（角速度センサー）、風力を測定するための風力センサーなどが追加されていてもよい。また、これらのセンサー類は、二重化または多重化されていてもよい。同一目的複数のセンサーが存在する場合には、フライトコントローラー501はそのうちの一つのみを使用し、それが障害を起こした際には、代替のセンサーに切り替えて使用するようにしてもよい。あるいは、複数のセンサーを同時に使用し、それぞれの測定結果が一致しない場合には障害が発生したと見なすようにしてもよい。
【００４８】
流量センサー510は薬剤の流量を測定するための手段であり、薬剤タンク104から薬剤ノズル103に至る経路の複数の場所に設けられている。液切れセンサー511は薬剤の量が所定の量以下になったことを検知するセンサーである。マルチスペクトルカメラ512は圃場403を撮影し、画像分析のためのデータを取得する手段である。障害物検知カメラ513はドローン障害物を検知するためのカメラであり、画像特性とレンズの向きがマルチスペクトルカメラ512とは異なるため、マルチスペクトルカメラ512とは別の機器である。スイッチ514はドローン100の使用者402が様々な設定を行なうための手段である。障害物接触センサー515はドローン100、特に、そのローターやプロペラガード部分が電線、建築物、人体、立木、鳥、または、他のドローン等の障害物に接触したことを検知するためのセンサーである。カバーセンサー516は、ドローン100の操作パネルや内部保守用のカバーが開放状態であることを検知するセンサーである。薬剤注入口センサー517は薬剤タンク104の注入口が開放状態であることを検知するセンサーである。これらのセンサー類はドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。また、ドローン100外部の基地局404、操縦器401、または、その他の場所にセンサーを設けて、読み取った情報をドローンに送信してもよい。たとえば、基地局404に風力センサーを設け、風力・風向に関する情報をWi-Fi通信経由でドローン100に送信するようにしてもよい。
【００４９】
フライトコントローラー501はポンプ106に対して制御信号を送信し、薬剤吐出量の調整や薬剤吐出の停止を行なう。ポンプ106の現時点の状況（たとえば、回転数等）は、フライトコントローラー501にフィードバックされる構成となっている。
【００５０】
LED107は、ドローンの操作者に対して、ドローンの状態を知らせるための表示手段である。LEDに替えて、または、それに加えて液晶ディスプレイ等の表示手段を使用してもよい。ブザー518は、音声信号によりドローンの状態（特にエラー状態）を知らせるための出力手段である。Wi-Fi子機機能503は操縦器401とは別に、たとえば、ソフトウェアの転送などのために外部のコンピューター等と通信するためのオプショナルな構成要素である。Wi-Fi子機機能に替えて、または、それに加えて、赤外線通信、Bluetooth（登録商標）、ZigBee（登録商標）、NFC等の他の無線通信手段、または、USB接続などの有線通信手段を使用してもよい。スピーカー520は、録音した人声や合成音声等により、ドローンの状態（特にエラー状態）を知らせる出力手段である。天候状態によっては飛行中のドローン100の視覚的表示が見にくいことがあるため、そのような場合には音声による状況伝達が有効である。警告灯521はドローンの状態（特にエラー状態）を知らせるストロボライト等の表示手段である。これらの入出力手段は、ドローンのコスト目標や性能要件に応じて取捨選択してよく、二重化・多重化してもよい。
【００５１】
図８に示すように、ドローン100は、燃料電池によって動作するための構成として、大別して制御部20と、燃料電池電源装置502とを備え、制御部20と燃料電池電源装置502が協調して動作する。制御部20は、ドローン100の飛行を制御する飛行制御部21の他、燃料電池電源装置502の発電量を安定して制御するための機能部を有している。制御部20が有する各機能部は、図７に示すフライトコントローラー501に備えられている。
【００５２】
燃料電池電源装置502は、ドローン100に電力を供給する手段である。燃料電池電源装置502は制御部20に接続され、制御部20と情報の送受信を行うことにより、制御部20に要求される発電量を担保するよう制御されている。
【００５３】
燃料電池電源装置502は電力供給機能に加えて、その内部状態をフライトコントローラー501に伝達する機能を有する。燃料電池電源装置502は、燃料電池50と、燃料電池計測部52と反応ガス供給部54と、を備える。
【００５４】
図9を用いて、燃料電池電源装置502が有する燃料電池50、および水素ガスおよび空気を燃料電池50に供給するための反応ガス供給部54の構成について説明する。
図9に示すように、燃料電池50は、アノード側およびカソード側にそれぞれ供給される水素ガスおよび酸素ガスを膜電極構造体上付近において反応させることにより、燃料電池50に接続される装置700に電力を供給する。水素ガスは反応ガスの例であり、酸素ガスは、第２反応ガスの例である。装置700は、本実施の形態においては、例えばフライトコントローラー501や、ドローン100に搭載される構成要素、および燃料電池電源装置502に含まれる空気供給装置622等の電力を消費する各種構成要素である。
【００５５】
燃料電池50は、例えば固体高分子電解膜600の片面を水素極601（アノード側）、もう片面を酸素極602（カソード側）で挟んだ膜電極構造体（MEA；Membrane Electrode Assembly）60により構成されている。膜電極構造体60の両面には、それぞれ水素と酸素の反応を促す触媒603が配置され、さらに触媒603の外側面にはそれぞれ拡散層604が配置されている。燃料電池50は、この膜電極構造体60がセパレータを介して複数積層され、各膜電極構造体60が電気的に直列接続されて、図10に示す燃料電池積層体（FC-stack）60sを形成している。なお、燃料電池の形態はこれに限られない。
【００５６】
図9及び10に示すように、燃料電池50は、膜電極構造体60で仕切られた一方側に、水素ガスを吸入する水素ガス供給管611および水素ガスを排出するアノード側排出口616を備える。また、燃料電池50は、他方側に、空気を吸入する空気供給管621および空気を燃料電池電源装置502の外部に排出するカソード側排出口626を備える。水素ガス供給管61は、吸入口の例であり、アノード側排出口616は、反応ガス排出口の例である。空気供給管621と燃料電池50の水素極側、すなわちアノード流路610との接続部分は第２反応ガス吸入管の吸入口の例である。カソード側排出口626は、第2排出口の例である。以下に、燃料電池50および燃料電池50に接続されている各構成について説明する。
【００５７】
燃料電池50の水素極側、すなわちアノード流路610には、水素ガス供給管611を介して水素タンク612が接続されている。水素タンク612にはアノード流路610での水素分圧に比べて高圧な水素ガスが貯留されていて、水素ガス供給管611を通じてアノード流路610に水素ガスが流入する。水素ガス供給管611には水素供給バルブ613、流量計614、および圧力計615が例えば上流からこの順に配置されていて、それぞれ後述する燃料電池制御部24（図8参照）に接続されている。なお、水素供給バルブ613、流量計614、および圧力計615の順序は上述と異なっていてもよい。燃料電池制御部24は、流量および圧力がフィードバックされることにより、アノード流路610に滞留する水素ガスの量を制御可能に構成されている。なお、圧力計615は、水素供給バルブ613の下流側のみに設けられていてもよいし、圧力計615a、615が水素供給バルブ613の上流側および下流側にそれぞれ設けられていてもよい。
【００５８】
なお、本実施形態においては、水素タンク612内の圧力とアノード流路610における水素分圧の差によって水素ガスがアノード流路610に流入されるように構成されているが、水素タンク612からアノード流路610に水素ガスを送り出すポンプをさらに備えていてもよい。なお、ポンプがない構成は、装置の小型化が可能なため、ドローン100に適している。
【００５９】
燃料電池50の酸素極側、すなわちカソード流路620には、空気供給管621を介して空気供給装置622が接続されている。空気供給装置622は、例えばファン又はエアポンプであり、ドローン100周辺の外気を取り込んでカソード流路620に流入させる。空気供給装置622による出力量は、燃料電池制御部24（図8参照）により制御されている。空気供給装置622をより大きい電流で可動させるほど、カソード流路620における酸素ガスの滞留量が増加する。空気供給管621には、流量計624および圧力計625が配置されていて、それぞれ燃料電池制御部24（図8参照）に接続されている。燃料電池制御部24は、流量および圧力がフィードバックされることにより、カソード流路620に滞留する空気の量を制御可能に構成されている。
【００６０】
図1乃至図5に示すように、空気供給装置622は、ドローン100周辺の外気を取り込むための外気吸入管71を有する。外気吸入管71から吸入される外気は、空気供給装置622および空気供給管621を介してカソード流路620に流入する。外気吸入管71の吸入口は、回転翼101の近傍であって、回転翼101が生じる気流の流路中に配置されている。回転翼101の気流の風力を外気の取り込みに利用することで、空気供給装置622は少ない電力で所定流量の空気をカソード流路620に流入させることができる。特に、外気吸入管71の吸入口は、回転翼101によって生じる気流のうちドローン100から離れる方向に進行する下降気流の流路中に配置されている。外気吸入管71は、第2反応ガス吸入管の例である。
【００６１】
図9および図10に示すように、水素供給バルブ613、流量計614、および圧力計615、615a、ならびに空気供給装置622、流量計624および圧力計625は、それぞれ起動および停止用の小型バッテリー630に接続されている。
【００６２】
アノード流路610の下流には、アノード流路610に滞留する水や気体を大気中に放出するためのアノード側排出口616および水素排出弁617が設けられている。アノード流路610に滞留する気体は、例えば空気や水素ガス、水蒸気である。水素排出弁617は、例えばバタフライ弁である。水素排出弁617は、反応ガス供給部54により開放および閉鎖が制御され、また、流出する流量を制御可能に構成されている。水素排出弁617は、燃料電池50の起動時および停止時、すなわち発電開始時および発電停止時、ならびに後述する回復アクションの際に開放され、主に水素ガスを外へ放出する。
【００６３】
図1乃至図5に示すように、アノード側排出口616の出口には水素ガス排出管72が連結されていて、水素ガス排出管72の排出口は、回転翼101からドローン100の進行方向後方に向かって発生する気流の流路中に配置されている。水素は可燃性であり、所定以上の濃度で大気に放出されると印加するおそれがある。この構成によれば、アノード側排出口616から排出される水素の濃度を、下降気流により希釈して大気に放出することができる。水素ガス排出管72は、反応ガス排出管の例であり、水素ガス排出管72の排出口は、反応ガス排出口の別の例である。水素ガス排出管72の排出口およびアノード側排出口616は、水素排出弁617により開閉可能に構成されている。
【００６４】
図11(a)に示すように、発明者の実験によれば、二段ローター構成の回転翼下では、上から見て回転翼の中心から半径のおよそ50％の距離にある位置からおよそ90%の位置に至るまでの間に特に気流の速度が速い円筒状の高速気流領域702が存在することが明らかになっている。図11(b)は図11(a)を模式化した図である。典型的な設計数値として、ローターの直径が70センチメートル、ローター回転速度が毎分2000回転、機体重量が20キログラムの場合に、この円筒状の領域702での風速は毎秒10メートル以上である。水素ガス排出管72の排出口は、この高速気流領域702内に配置される。
【００６５】
また、図11(c)に示すように、ドローン100が移動するとき、高速気流領域702は進行方向後方に向けて傾く。そこで、ドローン100が圃場内を等速飛行している際に、水素ガス排出管72の排出口が高速気流領域702に配置されるように構成されていてもよい。
【００６６】
水素ガス排出管72の排出口は、回転翼101によって生じる気流のうち、ドローン100から離れる方向に進行する下降気流の流路中に配置されている。回転翼101の上流側、すなわち回転翼101に吸入される気流の流路中に水素ガス排出管72の排出口を配管すると、排出される水素が回転翼101の内部、およびモーター102に引き込まれる。モーター102は摩擦等により着火源となりうるため、水素ガスに印加する恐れがあるためである。
【００６７】
また、水素ガス排出管72の排出口は、進行方向後方の回転翼101-1,101-3により生じる下降気流の流路中に配置されているとよい。進行方向後方の回転翼101-1、101-3の回転数は、ホバリング中においては前方の回転翼101-2,101-4の回転数と同等であり、前進飛行中には回転翼101-1,101-3の回転数より大きい。すなわち、進行方向後方の回転翼101-1、101-3により生じる下降気流は回転翼101-2,101-4の下降気流と同等以上である場合が多い。したがって、本構成によれば、排出される水素ガスの希釈をより確実に行うことができる。また、後述する水素希釈部331は、排出される水素の濃度を希釈するため、回転翼101の回転数を変更することにより下降気流の流速を制御する。進行方向前方の回転翼101-2,101-4の回転数を変更する場合、回転翼101-2,101-4の回転数が回転翼101-1,101-3の回転数より大きくなると、ドローン100の進行方向が逆になってしまう。したがって、所定の飛行計画から逸脱する蓋然性が高くなり、飛行計画が遅れたり、安全性が担保できない状態になる。そこで、この点においても、水素ガス排出管72端部を進行方向後方の回転翼101-1,101-3の下降気流の流路中に配管するとよい。
【００６８】
カソード流路620の下流には、カソード流路620に滞留する水や気体を大気中に放出するためのカソード側排出口626および空気排出弁627が設けられている。空気排出弁627は、例えばバタフライ弁である。空気排出弁627は、反応ガス供給部54により開放および閉鎖が制御され、また、流出する流量を制御可能に構成されている。本実施形態のように、空気供給装置622に回転翼101の下降気流が流入する構成の場合、カソード流路620により多くの空気が流入する可能性がある。空気排出弁627の構成によれば、流入する空気が多すぎる場合にも、空気排出弁627を閉じることにより空気の流量を減少させることができる。
【００６９】
外気吸入管71が水素ガス排出管72により排出される水素ガスを吸入してしまうと、カソード流路620内で水素および酸素の反応が進行し、膜電極構造体60中において所望の反応が進行しなくなるおそれがある。また、カソード流路620中に水が発生し、応答性が低下するおそれがある。そこで、外気吸入管71の吸入口は、水素ガス排出管72の排出口とは異なる回転翼の近傍に配置されている。本実施形態においては、外気吸入管71は、回転翼101-3bの近傍に配置され、水素ガス排出管72は、回転翼101-1bの近傍に配置されている。本実施形態においては、外気吸入管71および水素ガス排出管72は1か所が屈曲した管であったが、本発明の技術的範囲はこれに限られない。
【００７０】
図8に示す反応ガス供給部54は、燃料電池50に供給され、燃料電池50から排出される反応ガスの流量を調整する機能部である。反応ガスとは、水素等の還元性ガス、および当該還元性ガスと反応させて電力を取り出すための酸化性ガスである。酸化性ガスは、例えば空気であり、より具体的には空気に含有される酸素ガスである。反応ガス供給部54は、水素流量調整部541、および酸素流量調整部542を有する。水素流量調整部541は、主として、前述した水素ガス供給管611、水素タンク612、アノード側排出口616、および水素排出弁617（図9参照）により構成されている。酸素流量調整部542は、主として、空気供給管621、空気供給装置622、カソード側排出口626、および空気排出弁627により構成されている。水素流量調整部541は、反応ガス流量調整部の例である。
【００７１】
図12に示すように、積層されている複数の膜電極構造体60は、それぞれ湾曲したI-V特性を有する。正常I-V曲線70は、膜電極構造体60が適切に動作しているときを示す。反応ガスの供給量や、膜電極構造体60周辺の温湿度の影響により、膜電極構造体60の発電環境が理想的な状態から外れると、I-V曲線は、正常I-V曲線70よりもやや下回り、領域A乃至Cの内部に移動する。膜電極構造体60の発電環境が理想的な状態でない場合、すなわちI-V曲線が領域A乃至C内に位置している場合、同量の電流値を引くと、発揮される電圧値は正常I-V曲線70にある場合と比較して低い。ただし、所望する電流値を下げることで、発揮される電圧値を上昇させることができる。また、I-V曲線の位置に応じて、必要な電圧値を得るために所望すべき電流値を求めることができる。例えば、正常I-V曲線70以下の領域を複数の領域A乃至Cに分割し、I-V曲線が属する領域に基づいて、所望すべき電流値を決定することも可能である。
【００７２】
また、I-V曲線が正常I-V曲線70を下回っている場合、後述する回復アクションを実行することで、I-V曲線を上昇させ、又は正常I-V曲線70上に移動させることが可能である。
【００７３】
なお、図12は、1個の膜電極構造体60が有するI-V特性であり、各膜電極構造体60は、ドローン100内の位置や、燃料電池積層体60s内における位置、またそれぞれの構造が有するばらつき等によって異なるI-V曲線上で挙動する。そこで、燃料電池積層体60s全体の発電量とは別に、膜電極構造体60単体の発電量を計測し、適切に動作しているか監視してもよい。特に、燃料電池積層体60sの両端部や略中央部等、発電環境が悪化しやすい位置に配置されている膜電極構造体60の発電量を監視するとよい。
【００７４】
図8に示すように、制御部20は、飛行制御部21と、燃料電池制御部24と、アノード側排出口制御部300と、を備える。
【００７５】
飛行制御部21は、ドローン100が有する推進器、例えばモーター102およびモーター102により回転動作を行う回転翼101を制御することにより、ドローン100の飛行を制御する機能部である。飛行制御部21は、各モーター102により各回転翼101の回転数を個別に制御可能であり、各回転翼101により発生する下降気流の風力を制御することができる。
【００７６】
燃料電池制御部24は、燃料電池50が発電状態にある場合において、発電量の目標値と、燃料電池50の出力可能値とを比較して、反応ガスの供給量の制御、および水素パージを燃料電池50に実行させる。
【００７７】
水素パージとは、燃料電池50の発電量を増加させるための動作の１態様である。具体的には、アノード側排出口616および水素排出弁617を開放した状態で、水素供給バルブ613をさらに開放し、速い流量で水素ガスをアノード流路610に流入させる。水素ガスは、燃料電池積層体60sのアノード側に吹き付けられ、特にアノード側の触媒603に付着した水を吹き飛ばし、除去する。吹き飛ばされた水は、アノード側排出口616から排出される。１回の水素パージで、この工程を、短時間に断続的に複数回行ってもよい。燃料電池積層体60sのアノード側に付着した水は、膜電極構造体60における水素と酸素の応答性を低下させてしまう。水素パージにより水を除去する構成によれば、燃料電池50の出力可能値を上昇させることができる。水素パージは、燃料電池50の出力可能値が所定以下になったことに基づいて行ってもよいし、出力可能値に関わらず定期的に行ってもよい。
【００７８】
アノード側排出口制御部300は、アノード側排出口616の開閉を制御する機能部である。排出口制御部300は、例えば、回転翼101の稼働状態に応じて、アノード側排出口616の開閉を制御する。アノード側排出口制御部300は、回転翼101の発生する推力が所定値未満もしくは停止している場合には、アノード側排出口616の開動作を禁止する。また、アノード側排出口制御部300は、回転翼101の発生する推力が所定値以上の場合に、アノード側排出口616の開動作を許可する。
【００７９】
回転翼101の発生する推力は、回転翼101の回転速度又は回転数に基づいて推定してもよい。すなわち、アノード側排出口制御部300は、回転翼101の回転速度が所定値未満又は停止している場合に、アノード側排出口616の開動作を禁止し、回転翼101の回転速度が所定以上の場合に、アノード側排出口616の開動作を許可してもよい。アノード側排出口616の開動作を許可する回転翼101の回転速度は、排出される水素ガスの濃度を、水素ガスが発火する濃度である8％未満とすることができる流速を発生させる回転速度が望ましい。また、アノード側排出口制御部300は、少なくとも回転翼101が回転していることを条件に排出口の開動作を許可するとよい。
【００８０】
アノード側排出口制御部300は、水素濃度調整部30を備える。
【００８１】
水素濃度調整部30は、燃料電池50の主にアノード側排出口616から排出される水素ガスの濃度を所定濃度以下に担保する機能部である。水素濃度調整部30は、所定時間後に排出される水素ガスの排出量を予測し、水素ガスの排出濃度が所定以上になることが予測される場合は、所定の動作を行う。なお、アノード側排出口制御部300および水素濃度調整部30は、燃料電池電源装置502が有する構成であってもよい。水素濃度調整部30は、反応ガス濃度調整部の例である。
【００８２】
水素濃度調整部30は、水素排出予測部31と、濃度調整要否判定部32と、濃度調整部33と、水素濃度検知部34と、を備える。
【００８３】
水素排出予測部31は、主にアノード側排出口616から排出される水素ガスの排出有無、および水素ガスの排出量、とくに単位時間当たりの排出流量を予測する機能部である。水素排出予測部31は、例えば、水素流量調整部541が水素ガスの排出を要している旨の情報を燃料電池電源装置502から受信することにより、水素ガスの放出の有無および排出流量を予測する。また、水素排出予測部31は、燃料電池50が起動、停止、および水素パージを行う旨の情報を燃料電池電源装置502から受信することにより、水素ガスの放出が行われることを予測してもよい。その際、水素排出予測部31は、起動、停止、および水素パージのそれぞれに対し、水素ガスの排出流量があらかじめ関連付けられて記憶されていて、実行予定のアクションに応じて水素ガスの排出流量を予測してもよい。
【００８４】
濃度調整要否判定部32は、予測される水素ガスの排出流量と、ドローン100が有する推進器の稼働量と、に基づいて、水素ガス濃度の調整動作の要否を判定する機能部である。稼働量とは、例えばモーター102および回転翼101の回転数である。ドローン100の推進器は、進行方向後方に気流を発生させてドローン100を飛行させる種々の構成が適用可能であり、稼働量は、この気流の流量に対応する値であり、ドローン100に発生する発揮推力に対応する。濃度調整要否判定部32は、推進器の稼働量に応じた水素ガスの希釈可能流量と、水素ガスの排出流量と、が互いに関連付けられて記憶される、希釈可能流量―排出流量テーブルを参照可能である。濃度調整要否判定部32は、予測される排出流量が、排出時における推進器の希釈可能流量よりも大きいとき、水素濃度の調整が必要であると判定する。
【００８５】
濃度調整部33は、排出される水素ガスの濃度調整を行う機能部である。濃度調整の手段として、推進器の稼働量を上昇させて水素ガスを希釈する手段と、推進器の稼働量に応じて水素の排出流量を制限する手段と、が取り得る。そこで、濃度調整部33は、水素希釈部331と、許容流量送信部332と、を備える。
【００８６】
水素希釈部331は、排出される水素ガスを所定濃度以下に希釈する機能部である。水素希釈部331は、ドローン100の推進器、すなわちモーター102、およびモーター102により回転する回転翼101を、水素ガスを希釈するための構成として利用する。この構成によれば、水素ガスを希釈するための構成を別に有する必要がなく、ドローン100の構成を簡素にすることができる。
【００８７】
水素希釈部331は、希釈可能流量―排出流量テーブルに基づいて、推進器の稼働量を、水素ガス濃度を所定濃度以下に希釈するために必要な稼働量まで上昇させる要請指令を飛行制御部21に出力する。ドローン100の起動、停止、および回復アクションにおいて、水素ガスの希釈が必要である場合、水素排出弁617は、水素希釈部331により推進器の稼働量が上昇した後に開かれる。希釈後の水素ガス濃度は、例えば4%以下である。
【００８８】
水素希釈部331により回転翼101の稼働量が上昇するとき、仮に水素ガス排出管72が配置される1個の回転翼101の稼働量のみを増加させてしまうと、ドローン100が意図しない動作をしてしまう。そこで、飛行制御部21は、水素希釈部331に要請される稼働量に基づいて、すべての回転翼101の稼働量を再制御する。このとき、ドローン100は、例えば前進又は加速、上昇、もしくはヨー回転を行うことがある。
【００８９】
許容流量送信部332は、推進器の稼働量に応じて、排出が許容される水素ガスの流量を算出し、水素流量調整部541に送信する機能部である。水素流量調整部541は、許容される範囲で水素ガスが排出されるよう、水素ガスの流量を調整する。具体的には、水素流量調整部541は、水素排出弁617の開閉のデューティ比を低下させることで、水素ガスの流量を低下させる。
【００９０】
水素希釈部331および許容流量送信部332は、いずれか一方のみが動作してもよいし、両方が動作してもよい。推進器を所定以上の稼働量で稼働させると、ドローン100の移動に影響を及ぼし、薬剤散布や監視のための動作の妨げになる恐れがあるため、推進器の稼働量には上限がある。すなわち、水素希釈部331により希釈可能な水素濃度には上限がある。したがって、水素ガスの排出流量が希釈可能な値を上回る場合は、推進器の稼働量を上昇させる措置に加えて、許容流量を低下させる措置を取り得る。なお、水素希釈部331により希釈可能な水素濃度は、ドローン100の状態により異なる。例えば、ドローン100が飛行中の場合は、着陸状態の場合に比べて稼働量の上限は大きい。
【００９１】
水素濃度検知部34は、ドローン100の周囲の水素ガス濃度を検知する機能部であり、例えば水素濃度センサを有している。検知される水素ガス濃度は、濃度調整要否判定部32にフィードバックされ、排出される水素ガス濃度が所定以下になっているか否かを再判定してもよい。また、水素濃度検知部34は、水素の濃度調整の後か否かに関わらず、水素濃度を定期的に検知していてもよい。水素濃度検知部34が所定以上の水素濃度を検知すると、濃度調整部33は水素濃度の調整を実行する。
【００９２】
図13を用いて、水素濃度調整部30が水素ガスの排出濃度を調整するフローを説明する。まず、水素排出予測部31は、アノード側排出口616から水素ガスの排出が予定されていることを予測する（S31）。水素排出が予測されないとき、ステップS31に戻る。ステップS31は、定期的に繰り返されてもよいし、水素の排出を示す信号を受信することでステップS31が実行されるように構成されていてもよい。
【００９３】
水素排出が予測されるとき、濃度調整要否判定部32は、推進器の稼働量に基づいて算出される希釈可能流量が、予測される水素の排出流量以上か否かを判定する（S32）。希釈可能流量が排出流量以上である場合、予測される水素が排出されても当該水素は所定濃度以下に希釈されて大気に排出されるため、水素濃度を調整することなく水素排出弁617を開放して水素の排出を開始し(S33)、ステップS31に戻る。希釈可能流量が排出流量より小さい場合、ステップS34に進む。
【００９４】
濃度調整部33は、推進器の稼働量が水素希釈部331により調整可能な最大稼働量か否か判定する（S34）。最大稼働量未満であるとき、水素希釈部331は推進器の稼働量を上昇させる（S35）。次いで、ステップS32に戻り、稼働量を上昇させた後の推進器による希釈可能流量が排出流量以上となっているかを再判定する。ステップS34において、推進器の稼働量が当該最大稼働量に達している場合、許容流量送信部332は、水素流量調整部541に推進器の稼働量に応じた許容流量を送信し、水素流量調整部541は、水素排出弁617の開閉により水素流量を調整して排出する（S36）。すなわち、排出流量を減少させて排出する。
【００９５】
次いで、濃度調整部33は、推進器による希釈可能流量が排出流量以上か否かを再度判定する（S37）。希釈可能流量が排出流量以上である場合、ステップS31に戻る。希釈可能流量が排出流量未満である場合、ドローン100はその旨を使用者に通知し、また、飛行中の場合には合わせて退避行動をとってもよい（S38）。
【００９６】
退避行動は、通常の着陸動作、ホバリングを例とする空中停止や、最短のルートで直ちに所定の帰還地点まで移動する「緊急帰還」を含む。所定の帰還地点とは、あらかじめフライトコントローラー501に記憶させた地点であり、例えば離陸した地点である。所定の帰還地点とは、例えば使用者402がドローン100に近づくことが可能な陸上の地点であり、使用者402は帰還地点に到達したドローン100を点検したり、手動で別の場所に運んだりすることができる。
【００９７】
さらに、退避行動は、最適化されたルートで所定の帰還地点まで移動する「通常帰還」であってもよい。最適化されたルートとは、例えば、通常帰還指令を受信する前に薬剤散布したルートを参照して算出されるルートである。例えば、ドローン100は、まだ薬剤を散布していないルートを経由して、薬剤を散布しながら所定の帰還地点まで移動する。
さらにまた、退避行動は、すべての回転翼を停止させてドローン100をその場から下方に落下させる「緊急停止」も含む。
【００９８】
なお、本実施形態においては、ドローン100の飛行の動力源は燃料電池50のみであったが、合わせてバッテリーを搭載していてもよい。
【００９９】
なお、本説明においては、農業用薬剤散布ドローンを例に説明したが、本発明の技術的思想はこれに限られるものではなく、他の用途のドローンや、燃料電池を動力として動作可能な機械全般に適用可能である。特に、自律的に動作する機械に適用可能である。
【０１００】
（本願発明による技術的に顕著な効果）
本発明にかかるドローンにおいては、自律飛行時であっても、高い安全性を維持できる。
【要約】
【課題】燃料電池を動力として動作し、自律飛行時であっても、高い安全性を維持できるドローン。
【解決策】
気流を発生する推進器101を稼働させることにより推力を発生させる飛行制御部21と、飛行制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置502と、反応ガスを燃料電池電源装置の外部に排出する、開閉可能な反応ガス排出口616と、推進器の稼働状態に応じて、反応ガス排出口の開閉を制御する反応ガス排出口制御部300を備える。
【選択図】図８【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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