(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドローンに搭載される制御部と、前記制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、が協調して動作するドローンシステムであって、
前記制御部は、
前記ドローンの飛行を制御する飛行制御部と、
前記燃料電池電源装置に発電目標値を送信する目標値送信部と、
前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信する出力可能値受信部と、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信する発電量受信部と、
前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御する燃料電池制御部と
を備え、
前記燃料電池電源装置は、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記燃料電池の作動状態を検知して前記燃料電池の出力可能値を把握し、前記出力可能値を前記制御部に送信する出力可能値送信部と、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を前記発電量受信部に送信する発電量送信部と、
を備え、
前記ドローンは、複数のステータスを切替可能に構成され、前記ステータスに応じてあらかじめ定められた前記発電目標値を記憶していて、前記目標値送信部は、前記ステータスに応じた前記発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信する、ドローンシステム。
【請求項２】
前記ドローンのステータスは、スタンバイ状態、飛行状態、メンテナンス状態、退避行動状態および緊急停止状態の少なくともいずれかを含む、請求項１記載のドローンシステム。
【請求項３】
ドローンに搭載される制御部と、前記制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、が協調して動作するドローンシステムであって、
前記制御部は、
前記ドローンの飛行を制御する飛行制御部と、
前記燃料電池電源装置に発電目標値を送信する目標値送信部と、
前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信する出力可能値受信部と、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信する発電量受信部と、
前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御する燃料電池制御部と
を備え、
前記燃料電池電源装置は、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記燃料電池の作動状態を検知して前記燃料電池の出力可能値を把握し、前記出力可能値を前記制御部に送信する出力可能値送信部と、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を前記発電量受信部に送信する発電量送信部と、
を備え、
前記制御部は、記憶されている飛行計画に基づいて前記発電目標値を算出し、前記目標値送信部は、前記飛行計画に基づいて算出される、所定時間後の発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信する、ドローンシステム。
【請求項４】
前記飛行計画は、前記ドローンの加速、減速、等速運動、機首旋回動作、上昇、および下降等の各動作を行うタイミング、各動作を行う順序、各動作の継続時間の情報、ならびに薬剤散布用ポンプの稼働タイミングのうち少なくとも１又は複数の行動目標を含み、前記目標値送信部は、前記行動目標に基づいて算出される、所定時間後の発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信する、請求項３記載のドローンシステム。
【請求項５】
前記燃料電池電源装置は、自身が消費する消費電力値を前記制御部に送信する消費電力送信部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池電源装置の消費電力値を受信する消費電力受信部を備え、
前記目標値送信部は、前記制御部の消費電力値と前記燃料電池電源装置の消費電力値との総和に基づいて前記発電目標値を算出し、前記発電目標値を前記目標値送信部に送信する、請求項１乃至４のいずれかに記載のドローンシステム。
【請求項６】
前記燃料電池制御部は、前記出力可能値が所定値を下回るとき、回復動作を行う、請求項１乃至５のいずれかに記載のドローンシステム。
【請求項７】
前記飛行制御部は、前記出力可能値が所定値を下回るとき、前記ドローンに退避行動をとらせ、前記退避行動は、ホバリング、発着点への帰還、通常着陸、緊急停止、および小さい発電量で飛行を継続する省電力飛行のうち、少なくとも１個の動作を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のドローンシステム。
【請求項８】
前記制御部は、前記燃料電池電源装置のステータスを記憶する不揮発性の記憶領域を有する、請求項１乃至７のいずれかに記載のドローンシステム。
【請求項９】
前記燃料電池は、複数のステータスを切替可能に構成され、前記制御部は、前記燃料電池のステータスを判断する電源ステータス判断部を備え、前記制御部は、前記燃料電池のステータスに基づいて、前記燃料電池電源装置による発電の開始および停止を決定する、請求項１乃至８のいずれかに記載のドローンシステム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記燃料電池のステータスに基づいて、前記発電目標値を決定する、請求項９記載のドローンシステム。
【請求項１１】
前記燃料電池のステータスは、準備状態、発電状態、水素ガス欠状態、緊急遮断状態、およびシャットダウン状態の少なくともいずれかを含む、請求項９又は１０記載のドローンシステム。
【請求項１２】
前記燃料電池電源装置は、前記燃料電池電源装置の故障を検知し、前記制御部に故障が検知された旨の故障情報を送信する故障検知部をさらに備える、請求項１乃至１１のいずれかに記載のドローンシステム。
【請求項１３】
前記制御部は、前記反応ガスが前記燃料電池の外部に漏出していることを検知する漏れ検知部をさらに備え、前記飛行制御部は前記漏れ検知部からの漏れ情報に基づいて前記ドローンに退避行動をとらせる、請求項１乃至１２のいずれかに記載のドローンシステム。
【請求項１４】
ドローンに搭載される制御部と、前記制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、が協調して動作するドローンシステムの制御方法であって、
前記ドローンは、複数のステータスを切替可能に構成され、前記ステータスに応じてあらかじめ定められた発電目標値を記憶していて、
前記制御部は、
前記ドローンの飛行を制御するステップと、
前記燃料電池電源装置に前記発電目標値を送信するステップと、
前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信するステップと、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信するステップと、
前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御するステップと
を含み、
前記燃料電池電源装置は、
前記燃料電池電源装置が有する燃料電池に反応ガスを供給するステップと、
前記燃料電池の作動状態を検知して前記燃料電池の出力可能値を把握し、前記出力可能値を前記制御部に送信するステップと、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を前記制御部に送信するステップと、
を含み、
前記発電目標値を送信するステップでは、前記ステータスに応じた前記発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信する、
ドローンシステムの制御方法。
【請求項１５】
ドローンに搭載される制御部と、前記制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、が協調して動作するドローンシステムの制御方法であって、
前記制御部は、
前記ドローンの飛行を制御するステップと、
記憶されている飛行計画に基づいて発電目標値を算出するステップと、
前記燃料電池電源装置に前記発電目標値を送信するステップと、
前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信するステップと、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信するステップと、
前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御するステップと
を含み、
前記燃料電池電源装置は、
前記燃料電池電源装置が有する燃料電池に反応ガスを供給するステップと、
前記燃料電池の作動状態を検知して前記燃料電池の出力可能値を把握し、前記出力可能値を前記制御部に送信するステップと、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を前記制御部に送信するステップと、
を含み、
前記発電目標値を送信するステップでは、前記飛行計画に基づいて算出される、所定時間後の発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信する、
ドローンシステムの制御方法。
【請求項１６】
ドローンに搭載される制御部と、前記制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、が協調して動作するドローンシステムの制御プログラムであって、
前記ドローンは、複数のステータスを切替可能に構成され、前記ステータスに応じてあらかじめ定められた発電目標値を記憶していて、
前記制御部は、
前記ドローンの飛行を制御する命令と、
前記燃料電池電源装置に発電目標値を送信する命令と、
前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信する命令と、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信する命令と、
前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御する命令と
を含み、
前記燃料電池電源装置は、
前記燃料電池電源装置が有する燃料電池に反応ガスを供給する命令と、
前記燃料電池の作動状態を検知して前記燃料電池の出力可能値を把握し、前記出力可能値を前記制御部に送信する命令と、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を前記制御部に送信する命令と、
をコンピュータに実行させ、
前記発電目標値を送信する命令では、前記ステータスに応じた前記発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信する、
ドローンシステム制御プログラム。
【請求項１７】
ドローンに搭載される制御部と、前記制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、が協調して動作するドローンシステムの制御プログラムであって、
前記制御部は、
前記ドローンの飛行を制御する命令と、
記憶されている飛行計画に基づいて発電目標値を算出する命令と、
前記燃料電池電源装置に前記発電目標値を送信する命令と、
前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信する命令と、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信する命令と、
前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御する命令と
を含み、
前記燃料電池電源装置は、
前記燃料電池電源装置が有する燃料電池に反応ガスを供給する命令と、
前記燃料電池の作動状態を検知して前記燃料電池の出力可能値を把握し、前記出力可能値を前記制御部に送信する命令と、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を前記制御部に送信する命令と、
をコンピュータに実行させ、
前記発電目標値を送信する命令は、前記飛行計画に基づいて算出される、所定時間後の発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信する、ドローンシステム制御プログラム。
【請求項１８】
燃料電池電源装置と協調して動作するドローンであって、
前記ドローンは、前記燃料電池電源装置から電力を供給される制御部を有し、
前記制御部は、
前記ドローンの飛行を制御する飛行制御部と、
前記燃料電池電源装置に発電目標値を送信する目標値送信部と、
前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信する出力可能値受信部と、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信する発電量受信部と、
前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御する燃料電池制御部と、
を備え、
前記ドローンは、複数のステータスを切替可能に構成され、前記ステータスに応じてあらかじめ定められた前記発電目標値を記憶していて、前記目標値送信部は、前記ステータスに応じた前記発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信する、ドローン。
【請求項１９】
燃料電池電源装置と協調して動作するドローンであって、
前記ドローンは、前記燃料電池電源装置から電力を供給される制御部を有し、
前記制御部は、
前記ドローンの飛行を制御する飛行制御部と、
前記燃料電池電源装置に発電目標値を送信する目標値送信部と、
前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信する出力可能値受信部と、
前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信する発電量受信部と、
前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御する燃料電池制御部と、
を備え、
前記制御部は、記憶されている飛行計画に基づいて前記発電目標値を算出し、前記目標値送信部は、前記飛行計画に基づいて算出される、所定時間後の発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信する、ドローン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ドローンシステム、ドローン、ドローンシステムの制御方法、および、ドローンシステム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）。欧米と比較して農地が狭い日本においては、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。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、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システムを提供する。
【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システムは、ドローンに搭載される制御部と、前記制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、が協調して動作するドローンシステムであって、前記制御部は、前記ドローンの飛行を制御する飛行制御部と、前記燃料電池電源装置に発電目標値を送信する目標値送信部と、前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信する出力可能値受信部と、前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信する発電量受信部と、前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御する燃料電池制御部と、を備え、前記燃料電池電源装置は、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記燃料電池の作動状態を検知して前記燃料電池の出力可能値を把握し、前記出力可能値を前記制御部に送信する出力可能値送信部と、前記燃料電池電源装置が発電する発電量を前記発電量受信部に送信する発電量送信部と、を備える。【０００９】
前記燃料電池電源装置は、自身が消費する消費電力値を前記制御部に送信する消費電力送信部を備え、前記制御部は、前記燃料電池電源装置の消費電力値を受信する消費電力受信部を備え、前記目標値送信部は、前記制御部の消費電力値と前記燃料電池電源装置の消費電力値との総和に基づいて前記発電目標値を算出し、前記発電目標値を前記目標値送信部に送信するように構成されていてもよい。【００１０】
前記燃料電池制御部は、前記出力可能値が所定値を下回るとき、回復動作を行うように構成されていてもよい。【００１１】
前記飛行制御部は、前記出力可能値が所定値を下回るとき、前記ドローンに退避行動をとらせ、前記退避行動は、ホバリング、発着点への帰還、通常着陸、緊急停止、および小さい発電量で飛行を継続する省電力飛行のうち、少なくとも１個の動作を含むように構成されていてもよい。【００１２】
前記ドローンは、複数のステータスを切替可能に構成され、前記ステータスに応じてあらかじめ定められた前記発電目標値を記憶していて、前記目標値送信部は、前記ステータスに応じた前記発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信するように構成されていてもよい。【００１３】
前記ドローンのステータスは、スタンバイ状態、飛行状態、メンテナンス状態、退避行動状態および緊急停止状態の少なくともいずれかを含むように構成されていてもよい。【００１４】
前記制御部は、記憶されている飛行計画に基づいて前記発電目標値を算出し、前記目標値送信部は、前記飛行計画に基づいて算出される、所定時間後の発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信するように構成されていてもよい。【００１５】
前記飛行計画は、前記ドローンの加速、減速、等速運動、機首旋回動作、上昇、および下降等の各動作を行うタイミング、各動作を行う順序、各動作の継続時間の情報、ならびに薬剤散布用ポンプの稼働タイミングのうち少なくとも１又は複数の行動目標を含み、前記目標値送信部は、前記行動目標に基づいて算出される、所定時間後の発電目標値を前記燃料電池電源装置に送信するように構成されていてもよい。【００１６】
前記制御部は、前記燃料電池電源装置のステータスを記憶する不揮発性の記憶領域を有するように構成されていてもよい。【００１７】
前記燃料電池は、複数のステータスを切替可能に構成され、前記制御部は、前記燃料電池のステータスを判断する電源ステータス判断部を備え、前記制御部は、前記燃料電池のステータスに基づいて、前記燃料電池電源装置による発電の開始および停止を決定するように構成されていてもよい。【００１８】
前記制御部は、前記燃料電池のステータスに基づいて、前記発電目標値を決定するように構成されていてもよい。【００１９】
前記燃料電池のステータスは、準備状態、発電状態、水素ガス欠状態、緊急遮断状態、およびシャットダウン状態の少なくともいずれかを含むように構成されていてもよい。【００２０】
前記燃料電池電源装置は、前記燃料電池電源装置の故障を検知し、前記制御部に故障が検知された旨の故障情報を送信する故障検知部をさらに備えるように構成されていてもよい。【００２１】
前記制御部は、前記反応ガスが前記燃料電池の外部に漏出していることを検知する漏れ検知部をさらに備え、前記飛行制御部は前記漏れ検知部からの漏れ情報に基づいて前記ドローンに退避行動をとらせるように構成されていてもよい。【００２２】
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システムの制御方法は、ドローンに搭載される制御部と、前記制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、が協調して動作するドローンシステムの制御方法であって、前記制御部は、前記ドローンの飛行を制御するステップと、前記燃料電池電源装置に発電目標値を送信するステップと、前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信するステップと、前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信するステップと、前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御するステップとを含み、前記燃料電池電源装置は、前記燃料電池電源装置が有する燃料電池に反応ガスを供給するステップと、前記燃料電池の作動状態を検知して前記燃料電池の出力可能値を把握し、前記出力可能値を前記制御部に送信するステップと、前記燃料電池電源装置が発電する発電量を前記制御部に送信するステップと、を含む。【００２３】
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システム制御プログラムは、ドローンに搭載される制御部と、前記制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置と、が協調して動作するドローンシステムの制御プログラムであって、前記制御部は、前記ドローンの飛行を制御する命令と、前記燃料電池電源装置に発電目標値を送信する命令と、前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信する命令と、前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信する命令と、前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御する命令と、を含み、前記燃料電池電源装置は、前記燃料電池電源装置が有する燃料電池に反応ガスを供給する命令と、前記燃料電池の作動状態を検知して前記燃料電池の出力可能値を把握し、前記出力可能値を前記制御部に送信する命令と、前記燃料電池電源装置が発電する発電量を前記制御部に送信する命令と、をコンピュータに実行させる。【００２４】
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、燃料電池電源装置と協調して動作するドローンであって、前記ドローンは、前記燃料電池電源装置から電力を供給される制御部を有し、前記制御部は、前記ドローンの飛行を制御する飛行制御部と、前記燃料電池電源装置に発電目標値を送信する目標値送信部と、前記燃料電池電源装置の出力可能値を受信する出力可能値受信部と、前記燃料電池電源装置が発電する発電量を受信する発電量受信部と、前記発電目標値に基づいて前記燃料電池電源装置の発電量を制御する燃料電池制御部と、を備える。
【発明の効果】
【００２５】
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システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本願発明に係るドローンシステムの第１実施形態を示す平面図である。
【図２】上記ドローンシステムが有する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】上記ドローンシステムの制御機能を表した模式図である。
【図８】上記ドローンシステム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１２】上記燃料電池のステータスを示す状態遷移図である。
【図１３】上記ドローンシステムが、上記燃料電池の出力可能値を調整するフローチャートである。
【図１４】上記制御部と燃料電池電源装置が協調して、上記燃料電池を起動させ、作動許可を待機する状態になるまでの様子を示すシーケンス図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
まず、本発明にかかるドローンシステムが有する、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
図４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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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519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。
【００４４】
図８に示すように、ドローンシステム500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。
【００４５】
燃料電池電源装置502は、ドローン100およびドローンシステム500のその他の構成要素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、後述する種々の構成により、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。
【００４６】
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、送信部53と、反応ガス供給部54と、故障検知部55と、を備える。
【００４７】
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。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。
【００４８】
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。
【００４９】
図9及び図10に示すように、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。なお、本実施の形態においては外気に含有される酸素を取り込むように構成されているが、酸素タンク等別の方法でカソード流路620に酸素を供給する構成であってもよい。
【００５２】
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。
【００５３】
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および弁617が設けられている。弁617は、例えばバタフライ弁である。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。
【００５４】
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が設けられている。
【００５５】
図8に示す反応ガス供給部54は、燃料電池50に反応ガスを供給する機能部である。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、例えば空気である。すなわち、反応ガス供給部54は、主として、前述した水素ガス供給管611、水素タンク612、空気供給管621、および空気供給装置622により構成されている。
【００５６】
図11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。
【００５７】
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。
【００５８】
なお、図11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。この機能は、後述する発電安定判定部23cによって実現される。
【００５９】
図８に戻り、燃料電池計測部52、送信部53、反応ガス供給部54、および故障検知部55について説明する。
【００６０】
燃料電池計測部52は、燃料電池50の状態を示す値を計測する機能部である。燃料電池計測部52は、図１０の流量計614、624、圧力計615,615a、625により構成されている。また、燃料電池計測部52は、燃料電池50が有する膜電極構造体60のそれぞれが所定の発電を行っているかを計測する機能部を有していてもよい。具体的には、各膜電極構造体60のうち少なくともいくつかの電圧値を計測するセンサや、膜電極構造体60間の発電量のばらつきを推定可能な、燃料電池積層体60sのインピーダンスを計測するセンサを有していてもよい。
【００６１】
また、燃料電池計測部52は、燃料電池50の内部又は付近の温度又は湿度を計測するセンサを有していてもよい。燃料電池50における反応ガスの応答性は、反応ガスおよび膜電極構造体60の温度と湿度により変化する。そのため、上述した水素ガスおよび空気の圧力および流量の情報に加えて、燃料電池50内部の温湿度をさらに考慮して、燃料電池50の発電量の上限を推定できる。
【００６２】
送信部53は、燃料電池電源装置502に関する情報を制御部20に送信する機能部である。送信部は、出力可能値送信部53a、出力制限値送信部53b、発電量送信部53c、消費電力送信部53dを有する。
【００６３】
出力可能値送信部53aは、燃料電池50が出力可能な電力値又は電流値（以下、「出力可能値」ともいう。）を制御部20に送信する機能部である。出力可能値は、例えば、燃料電池計測部52により計測される反応ガスの圧力および流量から算出する。
【００６４】
出力制限値送信部53bは、燃料電池50が出力する電力値又は電流値の上限値（以下、「出力制限値」ともいう。）を制御部20に送信する機能部である。出力制限値は、燃料電池計測部52により取得される燃料電池50内部の温湿度に基づいて算出される。
【００６５】
発電量送信部53cは、燃料電池50が現在発電している発電量の情報を制御部20に送信する機能部である。
【００６６】
消費電力送信部53dは、燃料電池電源装置502が必要とする電力を制御部20に送信する機能部である。
【００６７】
故障検知部55は、燃料電池電源装置502自体に故障が生じていることを検知する機能部である。故障検知部55は故障を検知した旨の故障情報を制御部20に送信可能に構成されていてもよい。
【００６８】
図８に示す、制御部20が燃料電池50を制御するための構成について説明する。
【００６９】
制御部20は、燃料電池電源装置502の情報を受信する受信部22、燃料電池電源装置502に要求する発電量を決定するための判断部23、および燃料電池50からの出力可能値を調整するための、燃料電池制御部24を有する。
【００７０】
受信部22は、出力可能値受信部22a、出力制限値受信部22b、発電量受信部22c、および消費電力受信部22dを有する。
【００７１】
出力可能値受信部22aは、燃料電池電源装置502が有する出力可能値送信部53aから、燃料電池50の出力可能な発電量を受信する機能部である。
【００７２】
出力制限値受信部22bは、燃料電池電源装置502が有する出力制限値送信部53bから、燃料電池50の出力上限値を受信する機能部である。
【００７３】
発電量受信部22cは、燃料電池電源装置502が有する発電量送信部53cから、燃料電池50が現在発電している発電量を受信する機能部である。
【００７４】
消費電力受信部22dは、燃料電池電源装置502の消費電力値を受信する機能部である。
【００７５】
判断部23は、電源ステータス判断部23aと、目標値決定部23bと、を有する。
【００７６】
電源ステータス判断部23aは、燃料電池50のステータスを判断する機能部である。燃料電池50は複数のステータスを切替可能に構成されている。
図12に示すように、燃料電池50のステータスは、準備状態、発電状態、シャットダウン状態、水素ガス欠状態、および緊急遮断状態の少なくともいずれかを含む。
【００７７】
準備状態S1は、ドローン100が着陸している状態において、燃料電池50による発電準備が整い発電要求を待機している状態である。
【００７８】
発電状態S2は、ドローン100が着陸又は飛行している状態において、燃料電池50が発電要求を受けて発電を行っている状態である。
【００７９】
シャットダウン状態S3は、燃料電池50からの電力供給を停止するために、必要な動作を行った後に燃料電池50が属する状態である。
【００８０】
水素ガス欠状態S4は、水素タンク612に貯留されている水素ガスの量が不足している状態である。
【００８１】
緊急遮断状態S5は、緊急の事態に基づいて燃料電池50による電力の供給を遮断している状態である。
【００８２】
電源ステータス判断部23aは、少なくとも、燃料電池50が発電可能な状態にあるか否かの情報、出力可能な発電値の情報、もしくはアノード流路610における水素ガスの分子量又は圧力のうちいずれかの情報に基づいて、燃料電池50のステータスを判断可能である。
【００８３】
電源ステータス判断部23aは、制御部20が有する不揮発性記憶領域27に記憶されている燃料電池50のステータス情報に基づいて、燃料電池50のステータスを判断してもよい。この構成によれば、直前のステータス情報を考慮して、迅速に燃料電池50のステータスを判断することができる。また、不揮発性記憶領域27は、ドローン100がシャットダウンされる以前のステータスも保持可能であるので、シャットダウン前のステータス情報を考慮して、燃料電池50のステータスを判断することができる。
【００８４】
目標値決定部23bは、燃料電池50の発電目標値を決定する機能部である。発電目標値は、少なくとも制御部20により必要とされる電力値又は電流値と同等以上の値である。
【００８５】
目標値決定部23bは、現在必要とされる電力値又は電流値に基づいて発電目標値を算出することに代えて、制御部20および燃料電池電源装置502において第１時間後に必要とされる電力値又は電流値に基づいて目標値を算出してもよい。第１時間とは、例えば、燃料電池50が目標値に到達するまでに要する以上の時間である。燃料電池50は、出力可能値を調整するために反応ガスの制御を行う必要があるため、目標値に到達するまでに時間を要する場合がある。そこで、あらかじめ第１時間後に必要とされる電力値又は電流値を予測して目標値を送信することにより、燃料電池50の出力可能値が、特定の時間までに、より確実に目標値に到達するよう制御することができる。
【００８６】
第１時間後に必要とされる電力値又は電流値は、フライトコントローラー501に記憶されている飛行計画に基づいて算出してもよい。自律飛行を行うドローンにおいては、あらかじめ圃場内での飛行経路および飛行速度が飛行計画として記憶されている。より具体的には、飛行計画には、ドローン100の加速、減速、等速運動、機首旋回動作、上昇、および下降等の各動作を行うタイミング、各動作を行う順序、ならびに、各動作の継続時間の情報、すなわち行動目標を含む。ドローン100は、行動目標ごとに必要とされる電力値があらかじめある程度予測可能である。そこで、目標値決定部23bには、各行動目標における単位時間あたりの消費電力を、行動目標と関連付けられてあらかじめ記憶されている。また、薬剤散布ドローンにおいては、さらに薬剤散布の実施および不実施、すなわちポンプ106の稼働タイミングが合わせて飛行計画に記憶されている。したがって、目標値決定部23bは、飛行計画、すなわち加速、減速、等速運動、機首旋回動作、上昇、および下降等の各動作を行うタイミング、各動作を行う順序、各動作の継続時間の情報、ならびにポンプ106の稼働タイミングのうち少なくとも１又は複数の行動目標を参照することで、所定時間後のモーター102やポンプ106の消費電力を推定することができる。特に、加速および減速は消費電力が大きいため、目標値決定部23bは、加速および減速を行うタイミングおよび継続時間の情報を参照して、所定時間後に必要なモーター102の消費電力を推定するとよい。
【００８７】
この構成によれば、操作者の操作を逐次反映して動作する機械と比較して、第１時間後に必要な電力値又は電流値を精度よく推定可能であるので、出力可能値の調整に時間を要する燃料電池からであっても調整の時間を十分とることができるので、安定した電力供給を受けることができる。
【００８８】
目標値決定部23bは、制御部20の消費電力値と燃料電池電源装置502の消費電力値との総和に基づいて発電目標値を算出してもよい。この場合の目標値は、制御部20および燃料電池電源装置502により必要とされる電力値又は電流値と同等以上の値である。燃料電池電源装置502は、空気供給装置622を始めとする装置を含んでいるため、燃料電池電源装置502自体が電力を消費する。したがって、燃料電池50が燃料電池電源装置502自体の消費電力値も加味した電力を発電するよう制御することで、燃料電池50の動作電力を担保し、より安全に動作を継続することができる。
【００８９】
目標値決定部23bは、消費電力受信部22dで受信する燃料電池電源装置502の消費電力値に基づいて、第１時間後より後の第２時間後に燃料電池電源装置502が必要とする電力値又は電流値を予測して、目標値の決定に用いてもよい。燃料電池電源装置502が制御部20の消費電力を担保するためには、燃料電池電源装置502自体に消費される電力を事前に補う必要がある。そこで、燃料電池電源装置502が必要とする電力値又は電流値を、制御部20の電力値又は電流値に先んじて準備することで、制御部20への電力供給をスムースに行うことができる。
【００９０】
目標値決定部23bは、制御部20が属するステータスを考慮して発電目標値を決定してもよい。ステータスは、例えばスタンバイ状態、飛行状態、メンテナンス状態、退避状態、および緊急停止状態のうち少なくとも１個を含む。また、飛行状態は、圃場内を飛行する圃場内飛行状態と、圃場外を飛行する圃場内飛行状態とを含んでいてもよい。
【００９１】
スタンバイ状態は、飛行開始指令や薬剤準備の開始指令等、着陸している状態において使用者402からの指令が入力されるのを待機している状態である。圃場内飛行状態は、ドローン100が飛行計画に基づいて圃場内を飛行している状態である。圃場外飛行状態は、ドローン100が発着点406から圃場403に向かって飛行している状態である。メンテナンス状態は、ドローン100がドローン100自体のメンテナンスを行っている状態である。退避状態は、退避行動を取っている間の状態である。緊急停止状態は、操縦器401又は非常用操縦器からの緊急停止命令を受信して飛行状態から遷移する状態であり、通常帰還又は緊急帰還を経て着陸するまでの間、飛行制御部21が属する状態である。
【００９２】
制御部20が消費する電力の大部分は飛行制御部21により消費されており、より具体的にはモーター102およびポンプ106により消費される。モーター102およびポンプ106が稼働するか否かは制御部20のステータスにより判別可能であるため、当該ステータスに応じて必要な電力値又は電流値はある程度予測可能である。例えば、スタンバイ状態、メンテナンス状態に関しては、飛行および薬剤散布をしていないため、モーター102およびポンプ106の稼働は限定的である。また、圃場外飛行状態においては、薬剤散布をしないため、ポンプ106の稼働はなく、消費電力が少ないと判断できる。制御部20のステータスを考慮して発電目標値を決定する構成によれば、ステータスによっては燃料電池電源装置502の状態を参照しなくても発電目標値を決定することができるので、計算処理が簡略化できる。
【００９３】
目標値決定部23bは、上述までに算出した目標値が、出力制限値を所定以上下回っているか否かを判断する工程を有していてもよい。出力制限値に近いか、超えている場合、目標値決定部23bは目標値を下方に修正してもよい。
【００９４】
発電安定判定部23cは、燃料電池積層体60sに含まれる各膜電極構造体60のうち発電量が所定値を下回るものがあるか否かを判定する機能部である。発電安定判定部23cは、燃料電池計測部52による計測値を適宜受信して判定に用いる。発電量が所定値を下回る膜電極構造体60がある場合、発電安定判定部23cは、燃料電池制御部24にその旨を伝達する。燃料電池制御部24は、この信号に基づいて後述する回復アクションを行ってもよい。
【００９５】
燃料電池制御部24は、燃料電池50に接続される反応ガス供給部54を制御し、燃料電池50の出力可能値を調整する機能部である。燃料電池制御部24は、水素ガス供給管611に配置される水素供給バルブ613、流量計614、および圧力計615にそれぞれ接続されていて、所望の流量又は圧力の水素ガスがアノード流路610に流入するよう反応ガス供給部54を制御する。また、燃料電池制御部24は、空気供給管621に配置される流量計624および圧力計625にそれぞれ接続されていて、所望の流量又は圧力以上の空気がカソード流路620に流入するよう反応ガス供給部54を制御する。
【００９６】
燃料電池制御部24は、電源ステータス判断部23aにより判断される燃料電池50のステータス情報に基づいて、燃料電池50の出力可能値を調整する。燃料電池50は、内部の反応ガスが手順通りに供給され、それぞれ所定範囲の分圧に調整されている場合にのみ、反応ガスの分圧に応じた発電が可能である。仮に、燃料電池50の発電準備が十分でない状態で燃料電池制御部24が反応ガス供給部54を動作させると膜電極構造体60自体の破損等が生じるおそれがある。したがって、燃料電池制御部24は、前記燃料電池のステータスに基づいて、前記燃料電池電源装置502による発電の開始を決定する。
【００９７】
また、発電を停止させる場合も同様に、燃料電池50の内部に反応ガスが滞留した状態で電力消費を停止してしまうと、膜電極構造体60自体の破損又は耐久劣化等が生じるおそれがある。したがって、燃料電池制御部24は、燃料電池50のステータスに基づいて、燃料電池電源装置502による発電の停止を決定する。
【００９８】
燃料電池制御部24は、操縦器401を通じて燃料電池50のステータスを使用者402に伝達してもよい。また、燃料電池50のステータスのうち、水素ガス欠状態S4および緊急遮断状態S5は、異常が発生している状態であるため、当該フェイル情報や警告表示を操縦器401に表示してもよい。また、当該フェイル情報や警告を燃料電池電源装置502に送信してもよい。
【００９９】
さらに、燃料電池制御部24は、反応ガス供給部54を制御して燃料電池50のステータスを移行させる。
【０１００】
燃料電池50のステータスが準備状態S1であるときにおいて、発電の要求がある場合、燃料電池制御部24は、燃料電池50のステータスを発電状態S2に移行させる。
【０１０１】
燃料電池50のステータスが発電状態S2であるとき、燃料電池制御部24は、反応ガス供給部54を制御して出力可能値を調整する。発電状態においてシャットダウンを行いたい要求がある場合、燃料電池制御部24は、燃料電池50のステータスをシャットダウン状態に移行させる。
【０１０２】
燃料電池50のステータスがシャットダウン状態であるときにおいて、発電の要求がある場合、燃料電池制御部24は、燃料電池50のステータスを準備状態S1に移行させる。
【０１０３】
燃料電池50のステータスが水素ガス欠状態であるとき、水素供給バルブ613を十分開口させても、アノード流路610に所望の水素ガスを供給することができない。したがって、燃料電池50が水素ガス欠状態の場合、燃料電池制御部24は、貯留される水素ガスの量に応じて目標値を下げるか、燃料電池50に発電させるのを停止させる。すなわち、燃料電池制御部24は、発着点406にドローン100を退避させた上で、燃料電池50をシャットダウン状態S3に移行させてもよい。
【０１０４】
燃料電池制御部24は、燃料電池電源装置502に異常が発生していることを検知して、燃料電池電源装置502に緊急遮断命令を送信し、燃料電池50のステータスを緊急遮断状態S5に移行させる。燃料電池電源装置502の異常は、燃料電池電源装置502が有する故障検知部55からの情報に基づいて検知してもよいし、受信部22により受信される出力可能値、発電量、および燃料電池電源装置502の消費電力等に基づいて検知してもよい。
【０１０５】
燃料電池50のステータスが緊急遮断状態S5であるとき、燃料電池制御部24は、燃料電池50の発電準備が整うまで発電を要求するのを待機する。また、燃料電池制御部24は、燃料電池50をシャットダウン状態S3に移行させ、燃料電池50を然るべき手順で安全にシャットダウンさせてもよい。
【０１０６】
燃料電池制御部24は、燃料電池50のステータスが発電状態S2にある場合において、目標値決定部23bにより決定される目標値と、出力可能値受信部22aにより受信される燃料電池50の出力可能値とを比較して、反応ガス供給部54を制御する。燃料電池制御部24は、反応ガス供給部54を制御することにより、反応ガスの供給量を増加させる動作、および後述する水素パージを実行可能である。反応ガスの供給量を増加させる動作および水素パージは、回復アクションの例である。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
図13を用いて、燃料電池制御部24が燃料電池電源装置502に電力供給を要求するまでの具体的なフローを説明する。同図に示すように、まず、燃料電池制御部24は、目標値決定部23bにより目標値が決定されると（S11）、目標値と出力可能値とを比較する（S12）。出力可能値が目標値に比べて所定以上である特定の範囲にある場合、燃料電池制御部24は、反応ガス供給部54の動作を変更せずに、電力供給を要求する(S13)。出力可能値が、当該特定の範囲を超えるか、特定の範囲未満であるかを判断し（S14）、出力可能値が当該特定の範囲以上の場合、電力供給を要求し（S15）、反応ガスの供給量を低下させる（S16）。具体的には、水素供給バルブ613の開口を小さくし、又は空気供給装置622の稼働量を低下させるか、もしくはその両方を行う。なお、ステップS15およびS16は順不同である。
【０１１０】
出力可能値が特定の範囲未満の場合、燃料電池制御部24は、反応ガス供給部54を制御して反応ガスの供給量を増加させる（S17）。具体的には、水素供給バルブ613をより開放するか、又は空気供給装置622をより稼働させ、出力可能値の上昇を試みる。
【０１１１】
次いで、再び出力可能値が特定の範囲にあるか否かを判断する（S18）。特定の範囲にある場合は、電力供給を要求する（S19）。特定の範囲に至らない場合は、ステップS20に進む。なお、ステップS18において出力可能値が特定の範囲を超える場合は、反応ガスの供給量を低下させてもよい。なお、ステップS17における反応ガス供給量の増加量は少量であり、特定の範囲を超える可能性は低いため、図13では説明を省略する。以降の説明においても同様である。
【０１１２】
出力可能値が特定の範囲に至らない場合は、ステップS17の試行回数、すなわち、反応ガス供給量の増加を試みた回数が所定回数に達したかを判断し（S20）、所定回数に達していない場合は、ステップS17に戻る。ステップS17の試行回数が所定回数に達している場合は、ステップS21に進む。
【０１１３】
ステップS17の試行回数が所定回数に達している場合、燃料電池制御部24は、水素パージを行う（S21）。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。
【０１１４】
次いで、再び出力可能値が特定の範囲にあるか否かを判断し（S22）、特定の範囲にある場合は、電力供給を要求する（S23）。出力可能値が特定の範囲に至らない場合は、水素パージ（S21）の回数が所定回数に達したかを判断し（S24）、所定回数に達していない場合は、ステップS17に戻る。ステップS21の試行回数が所定回数に達している場合は、目標値を下げ、小さい発電量で飛行を継続する省電力飛行を開始する（S25）。省電力飛行は、具体的には、加減速を緩和し、速度又は高度を低下させる動作を組み合わせて行う飛行形態である。
【０１１５】
次いで、省電力飛行における目標値と出力可能値とを比較して、目標値が出力可能値に対して特定の範囲にあるか否かを判定する（S26）。目標値が特定の範囲にある場合、電力供給を要求する（S27）。目標値が特定の範囲を下回る場合、ドローン100に退避行動をとらせる（S28）。
【０１１６】
上述のように、燃料電池50の出力可能値を取得し、当該出力可能値に応じて回復アクションを試みる構成によれば、ドローン100の飛行を継続しながら燃料電池50の出力を調整することができる。また、回復アクションによっても十分な発電を行うことができない場合は、発電目標値を下げる措置を行い、それでも発電量が十分でない場合は退避行動の措置に移る構成によれば、措置を段階的に行うことにより、安全な飛行を可能な限り継続することができる。
【０１１７】
漏れ検知部28は、ドローンシステム500の周囲に過剰な水素ガスが漏れていること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。水素ガスは可燃性であり、所定以上の濃度であると印加の危険がある。そこで、水素濃度が所定以上の場合は、退避行動を取るように構成されていてもよい。
【０１１８】
図14を参照し、制御部20と燃料電池電源装置502とが協調して起動するフローについて説明する。
【０１１９】
まず、制御部20から燃料電池電源装置502に対し、水素ガスの圧力計615を起動する命令を送信する（S30）。なおこの時、圧力計615はバッテリー630により駆動されている。ステップS30の前に、バッテリー630による圧力計615への電源供給準備が完了している旨の情報を、燃料電池電源装置502から制御部20に送信してもよい。燃料電池電源装置502は、制御部20からの指示に基づいて圧力計615を起動させ（S31）、水素ガスの圧力を測定する（S32）。このとき、水素供給バルブ613は閉じている。
【０１２０】
制御部20は、水素ガスの圧力値を受信する（S33）。水素ガスの圧力値を判定し（S34）、所定未満の場合は水素タンク612に水素ガスを補充する必要がある旨の情報を、操縦器401等を通じて使用者402に通知する。
【０１２１】
水素ガスが充填されたことを、使用者402からの入力又は自動で検出することにより検知すると、ステップS32乃至ステップS34を再度実行し、水素ガスの圧力値が所定以上になるまで繰り返す。
【０１２２】
水素ガスの圧力値が所定以上であると判定されると、制御部20は、燃料電池電源装置502に、燃料電池50の電流・電圧特性を取得する命令を送信する（S35）。
【０１２３】
燃料電池電源装置502は、電流・電圧特性を取得し、制御部20に送信する（S36）。
【０１２４】
制御部20は、電流・電圧特性を受信し（S37）、燃料電池50が起動可能な状態にあることを判定した上で（S38）、燃料電池電源装置502に起動命令を送信する（S39）。起動命令を受信した燃料電池電源装置502は、制御部20からの作動許可指令を待機する状態になる（S40）。
【０１２５】
このように、制御部20が、燃料電池50の起動に必要な情報の取得および起動可否の判定を行い、制御部20からの命令に基づいて燃料電池50が発電を開始する構成によれば、飛行および燃料電池の制御を制御部20で一括して行うことができる。また、飛行制御側に燃料電池の発電に関する制約が生じている場合には、飛行制御部21からの情報を直ちに参照して燃料電池50の動作を決定することができる。
【０１２６】
制御部20は、ステップS40に次いで、燃料電池電源装置502に作動許可指令を送信する工程を有していてもよい。燃料電池電源装置502は、作動許可指令を受信すると発電状態に移行し、発電を開始する。燃料電池50の発電準備が整った後直ちに発電を開始するのではなく、さらなる作動許可指令に基づいて発電を開始することで、制御部20と燃料電池電源装置502とがより協調した、安全性の高いシステムが実現できる。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
（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。
【図１】
0006837254.tif 000002
【図２】
0006837254.tif 000003
【図３】
0006837254.tif 000004
【図４】
0006837254.tif 000005
【図５】
0006837254.tif 000006
【図６】
0006837254.tif 000007
【図７】
0006837254.tif 000008
【図８】
0006837254.tif 000009
【図９】
0006837254.tif 000010
【図１０】
0006837254.tif 000011
【図１１】
0006837254.tif 000012
【図１２】
0006837254.tif 000013
【図１３】
0006837254.tif 000014
【図１４】
0006837254.tif 000015