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WO2020067026A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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WO2020067026A1
WO2020067026A1 PCT/JP2019/037304 JP2019037304W WO2020067026A1 WO 2020067026 A1 WO2020067026 A1 WO 2020067026A1 JP 2019037304 W JP2019037304 W JP 2019037304W WO 2020067026 A1 WO2020067026 A1 WO 2020067026A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
power supply
control unit
drone
supply device
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/037304
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
千大 和氣
洋 柳下
Original Assignee
株式会社ナイルワークス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社ナイルワークス filed Critical 株式会社ナイルワークス
Priority to JP2020511542A priority Critical patent/JP6837254B2/ja
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a drone system, a drone, a control method of the drone system, and a drone system control program.
  • the drone can now accurately know its absolute position in centimeters while flying, and In the agricultural land of typical narrow and complicated terrain, it is possible to fly autonomously with minimal manual operation and to efficiently and accurately spray the medicine.
  • Fuel cells are known as a power generation mechanism that is known to have good power generation efficiency and be environmentally friendly. In order for a drone to fly safely and stably, it is essential to control the fuel cell and supply stable power. Until now, a technique related to a multicopter having a fuel cell has been disclosed (for example, Patent Document 3), but a technique for controlling the fuel cell to ensure high safety has not existed.
  • ⁇ ⁇ Provide a drone system that operates on fuel cells and maintains high safety even during autonomous flight.
  • a drone system provides a drone in which a control unit mounted on the drone and a fuel cell power supply device capable of supplying power to the control unit operate in cooperation.
  • the control unit is a flight control unit that controls the flight of the drone, a target value transmission unit that transmits a power generation target value to the fuel cell power supply device, and an output possible value of the fuel cell power supply device
  • An output possible value receiving unit to receive, a power generation amount receiving unit to receive the power generation amount generated by the fuel cell power supply device, and a fuel cell control unit to control the power generation amount of the fuel cell power supply device based on the power generation target value
  • the fuel cell power supply device comprises: a fuel cell; a reactant gas supply unit for supplying a reactant gas to the fuel cell; and an operating state of the fuel cell to detect an output possible value of the fuel cell.
  • an output enable value transmission unit that transmits the output can values to the control unit, and a power generation amount transmission unit to be transmitted to the
  • the fuel cell power supply device includes a power consumption transmission unit that transmits a power consumption value consumed by itself to the control unit, and the control unit includes a power consumption reception unit that receives a power consumption value of the fuel cell power supply device.
  • the target value transmitting unit calculates the power generation target value based on a sum of a power consumption value of the control unit and a power consumption value of the fuel cell power supply device, and transmits the power generation target value to the target value transmission unit. May be configured to be transmitted.
  • the fuel cell control unit may be configured to perform a recovery operation when the outputtable value falls below a predetermined value.
  • the flight control unit causes the drone to perform an evacuation action when the outputtable value is lower than a predetermined value, and the evacuation action includes hovering, returning to a departure point, normal landing, emergency stop, and a small power generation amount.
  • the power saving flight that continues the flight may be configured to include at least one operation.
  • the drone is configured to be able to switch a plurality of statuses, stores the power generation target value predetermined according to the status, the target value transmitting unit, the power generation target value according to the status, It may be configured to transmit to the fuel cell power supply device.
  • the status of the drone may be configured to include at least one of a standby state, a flight state, a maintenance state, an evacuation behavior state, and an emergency stop state.
  • the control unit calculates the power generation target value based on a stored flight plan, and the target value transmission unit calculates the power generation target value after a predetermined time calculated based on the flight plan with the fuel cell. It may be configured to transmit to a power supply device.
  • the flight plan includes the timing of performing each operation such as acceleration, deceleration, constant velocity movement, nose turning operation, ascent and descent of the drone, the order in which each operation is performed, information on the duration of each operation, and drug spraying.
  • the target value transmission unit includes at least one or a plurality of action targets among the operation timings of the operation pump, and transmits the power generation target value after a predetermined time calculated based on the action target to the fuel cell power supply device. It may be configured as follows.
  • the control unit may be configured to have a nonvolatile storage area for storing a status of the fuel cell power supply device.
  • the fuel cell is configured to be capable of switching a plurality of statuses
  • the control unit includes a power supply status determination unit that determines the status of the fuel cell, the control unit, based on the status of the fuel cell, It may be configured to determine start and stop of power generation by the fuel cell power supply device.
  • the control unit may be configured to determine the power generation target value based on a status of the fuel cell.
  • the status of the fuel cell may be configured to include at least one of a preparation state, a power generation state, a lack of hydrogen gas state, an emergency cutoff state, and a shutdown state.
  • the fuel cell power supply device may be configured to further include a failure detection unit that detects a failure of the fuel cell power supply device and transmits failure information indicating that the failure has been detected to the control unit.
  • the control unit further includes a leak detection unit that detects that the reaction gas leaks out of the fuel cell, and the flight control unit retreats to the drone based on leak information from the leak detection unit. You may be comprised so that an action may be taken.
  • a method for controlling a drone system includes a control unit mounted on a drone and a fuel cell power supply device capable of supplying power to the control unit in a coordinated manner.
  • a method of controlling an operating drone system wherein the control unit controls a flight of the drone; a step of transmitting a power generation target value to the fuel cell power supply; and an outputable value of the fuel cell power supply.
  • And transmitting the possible output values to the control unit, and transmitting the power generation amount of the fuel cell power supply device generates power to the control unit.
  • a drone system control program includes a control unit mounted on a drone and a fuel cell power supply capable of supplying power to the control unit operating in cooperation.
  • a drone is a drone that operates in cooperation with a fuel cell power supply device, wherein the drone is a control unit that is supplied with power from the fuel cell power supply device.
  • the control unit has a flight control unit that controls the flight of the drone, a target value transmission unit that transmits a power generation target value to the fuel cell power supply device, and receives an output possible value of the fuel cell power supply device.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a fuel cell and a reaction gas supply unit of the fuel cell power supply device.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing IV characteristics of a membrane electrode structure included in the fuel cell. It is a state transition diagram showing the status of the above-mentioned fuel cell.
  • 4 is a flowchart in which the drone system adjusts an output possible value of the fuel cell.
  • FIG. 4 is a sequence diagram showing a state in which the control unit and the fuel cell power supply device cooperate to start the fuel cell and wait for operation permission.
  • the drone means any type of power means (electric power, prime mover, etc.) and any type of control (wireless or wired, autonomous flight type or manual control type, etc.) It refers to a general flying object having a plurality of rotors.
  • the rotating wings 101-1a, 101-1b, 101-2a, 101-2b, 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b (also called rotors) This is a means for flying the drone 100.
  • Eight aircraft (four sets of two-stage rotors) are provided in consideration of the balance between flight stability, aircraft size, and power consumption.
  • Each rotary wing 101 is arranged on four sides of the main body 110 by an arm extending from the main body 110 of the drone 100.
  • the traveling direction of the drone 100 is downward in FIG. 1.
  • the motors 102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 102-4a, 102-4b have rotating blades 101-1a, 101-1b, 101-2a, 101- 2b, means for rotating 101-3a, 101-3b, 101-4a, 101-4b (typically an electric motor but may be a motor, etc.), one for each rotor Have been.
  • Motor 102 is an example of a propulsion device.
  • the upper and lower rotors (eg, 101-1a and 101-1b) and their corresponding motors (eg, 102-1a and 102-1b) in one set are used for drone flight stability and the like.
  • the axes are collinear and rotate in opposite directions. As shown in FIG. 2 and FIG.
  • the radial member for supporting the propeller guard provided so that the rotor does not interfere with the foreign matter is not horizontal but has a scalloped structure. This is to promote the member to buckle to the outside of the rotor at the time of collision and prevent the member from interfering with the rotor.
  • the medicine nozzles 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4 are means for spraying the medicine downward and are provided with four units.
  • the term “drug” generally refers to a liquid or powder, such as a pesticide, a herbicide, a liquid fertilizer, a pesticide, a seed, and water, which is sprayed on a field.
  • the medicine tank 104 is a tank for storing the medicine to be sprayed, and is provided at a position close to the center of gravity of the drone 100 and lower than the center of gravity from the viewpoint of weight balance.
  • the drug hoses 105-1, 105-2, 105-3, and 105-4 are means for connecting the drug tank 104 and each of the drug nozzles 103-1, 103-2, 103-3, and 103-4. And may also serve to support the drug nozzle.
  • the pump 106 is a unit for discharging a medicine from a nozzle.
  • FIG. 4 shows an overall conceptual diagram of a system using an embodiment of the drone 100 according to the present invention for spraying medicine.
  • This diagram is a schematic diagram, and the scale is not accurate.
  • the pilot 401 transmits a command to the drone 100 by the operation of the user 402, and displays information received from the drone 100 (for example, a position, a medicine amount, a battery level, a camera image, and the like). Yes, and may be realized by a portable information device such as a general tablet terminal that runs a computer program.
  • the drone 100 according to the present invention is controlled to perform an autonomous flight, but may be configured to be able to perform a manual operation at the time of basic operations such as takeoff and return, and in an emergency.
  • an emergency operation device (not shown) having a function dedicated to emergency stop may be used (the emergency operation device has a large emergency stop button and the like so that an emergency operation device can quickly respond in an emergency. It may be a dedicated device provided with).
  • the pilot 401 and the drone 100 perform wireless communication using Wi-Fi or the like.
  • the field 403 is a field or a field to which the drone 100 sprays the medicine.
  • the terrain of the field 403 is complicated, and there is a case where a topographic map cannot be obtained in advance, or a case where the topographic map differs from the situation of the site.
  • the field 403 is adjacent to houses, hospitals, schools, other crop fields, roads, railways and the like. Further, an obstacle such as a building or an electric wire may exist in the field 403 in some cases.
  • the base station 404 is a device that provides a master device function or the like of Wi-Fi communication, also functions as an RTK-GPS base station, and may provide an accurate position of the drone 100 (Wi-Fi communication).
  • the base station function of Fi communication and the RTK-GPS base station may be independent devices.
  • the farming cloud 405 is typically a group of computers and related software operated on a cloud service, and may be wirelessly connected to the controller 401 via a mobile phone line or the like.
  • the farming cloud 405 may analyze the image of the field 403 captured by the drone 100, grasp the growing condition of the crop, and perform a process for determining a flight route. Further, the stored topographical information of the field 403 may be provided to the drone 100. In addition, the history of the flying and photographed images of the drone 100 may be accumulated, and various analysis processes may be performed.
  • the drone 100 takes off from the landing point 406 outside the field 403 and returns to the landing point 406 after spraying the medicine on the field 403 or when it becomes necessary to replenish or charge the medicine.
  • the flight route (intrusion route) from the departure point 406 to the target field 403 may be stored in advance in the farming cloud 405 or the like, or may be input by the user 402 before the start of takeoff.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the control function of the embodiment of the medicine spraying drone according to the present invention.
  • the flight controller 501 is a component that controls the entire drone, and may specifically be an embedded computer including a CPU, a memory, related software, and the like.
  • the flight controller 501 controls the motors 102-1a and 102-1b via control means such as ESC (Electronic Speed Control) based on input information received from the pilot 401 and input information obtained from various sensors described below. , 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 104-a, and 104-b to control the rotation speed of the drone 100.
  • ESC Electronic Speed Control
  • the actual rotation speeds of the motors 102-1a, 102-1b, 102-2a, 102-2b, 102-3a, 102-3b, 104-a, 104-b are fed back to the flight controller 501, and normal rotation is performed. It is configured to monitor whether it is running.
  • the rotation wing 101 may be provided with an optical sensor or the like, and the rotation of the rotation wing 101 may be fed back to the flight controller 501.
  • the software used by the flight controller 501 can be rewritten through a storage medium or the like for function expansion / change or problem correction, or through communication means such as Wi-Fi communication or USB. In this case, protection by encryption, checksum, digital signature, virus check software, etc. is performed to prevent rewriting by unauthorized software. Further, part of the calculation processing used by the flight controller 501 for control may be executed by the control device 401, the farming cloud 405, or another computer existing in another place. Since the flight controller 501 is highly important, some or all of its components may be duplicated.
  • the flight controller 501 communicates with the pilot 401 via the Wi-Fi slave unit function 503 and further via the base station 404, receives necessary commands from the pilot 401, and transmits necessary information to the pilot Can be sent to 401.
  • the communication may be encrypted so as to prevent eavesdropping, impersonation, hijacking of the device and the like.
  • the base station 404 has a function of an RTK-GPS base station in addition to a communication function using Wi-Fi. By combining the signal from the RTK base station and the signal from the GPS positioning satellite, the flight controller 501 can measure the absolute position of the drone 100 with an accuracy of about several centimeters.
  • the flight controllers 501 are of high importance and may be duplicated or multiplexed.Also, in order to cope with the failure of a specific GPS satellite, each redundant flight controller 501 uses a different satellite. It may be controlled.
  • the 6-axis gyro sensor 505 is means for measuring the acceleration of the drone body in three directions orthogonal to each other (further, means for calculating the speed by integrating the acceleration).
  • the six-axis gyro sensor 505 is means for measuring a change in the attitude angle of the drone body in the above three directions, that is, an angular velocity.
  • the geomagnetic sensor 506 is means for measuring the direction of the drone body by measuring geomagnetism.
  • the air pressure sensor 507 is a means for measuring the air pressure, and can also indirectly measure the altitude of the drone.
  • the laser sensor 508 is a means for measuring the distance between the drone aircraft and the ground surface using reflection of laser light, and may be an IR (infrared) laser.
  • the sonar 509 is a means for measuring the distance between the drone body and the surface of the earth using reflection of sound waves such as ultrasonic waves. These sensors may be selected based on the cost objectives and performance requirements of the drone. Further, a gyro sensor (angular velocity sensor) for measuring the inclination of the airframe, a wind sensor for measuring wind power, and the like may be added. Further, these sensors may be duplicated or multiplexed. When there are a plurality of sensors for the same purpose, the flight controller 501 may use only one of them, and in the event of a failure, may switch to the alternative sensor for use. Alternatively, a plurality of sensors may be used at the same time, and if the respective measurement results do not match, it may be determined that a failure has occurred.
  • the flow rate sensor 510 is a means for measuring the flow rate of the medicine, and is provided at a plurality of locations on the path from the medicine tank 104 to the medicine nozzle 103.
  • the liquid shortage sensor 511 is a sensor that detects that the amount of the medicine has become equal to or less than a predetermined amount.
  • the multispectral camera 512 is a means for photographing the field 403 and acquiring data for image analysis.
  • the obstacle detection camera 513 is a camera for detecting a drone obstacle, and is a device different from the multispectral camera 512 because the image characteristics and the lens direction are different from those of the multispectral camera 512.
  • the switch 514 is a means for the user 402 of the drone 100 to perform various settings.
  • the obstacle contact sensor 515 is a sensor for detecting that the drone 100, particularly its rotor or propeller guard, has contacted an obstacle such as an electric wire, a building, a human body, a tree, a bird, or another drone.
  • the cover sensor 516 is a sensor that detects that an operation panel of the drone 100 and a cover for internal maintenance are open.
  • the drug inlet sensor 517 is a sensor that detects that the inlet of the drug tank 104 is open. These sensors may be selected or duplicated or multiplexed depending on the cost objectives and performance requirements of the drone.
  • a sensor may be provided in the base station 404, the pilot 401, or another place outside the drone 100, and the read information may be transmitted to the drone.
  • a wind sensor may be provided in the base station 404, and information on the wind and wind direction may be transmitted to the drone 100 via Wi-Fi communication.
  • the flight controller 501 transmits a control signal to the pump 106, and adjusts the amount of medicine to be ejected and stops the ejection of medicine.
  • the current state of the pump 106 (for example, the number of revolutions) is fed back to the flight controller 501.
  • the LED 107 is display means for notifying the drone operator of the status of the drone.
  • a display means such as a liquid crystal display may be used instead of or in addition to the LED.
  • the buzzer 518 is an output unit for notifying a drone state (particularly an error state) by an audio signal.
  • the Wi-Fi slave unit function 519 is an optional component for communicating with an external computer or the like for transferring software, for example, separately from the controller 401.
  • Other wireless communication means such as infrared communication, Bluetooth (registered trademark), ZigBee (registered trademark), NFC, or wired communication means such as USB connection may be used instead of or in addition to the Wi-Fi slave unit function. May be used.
  • the speaker 520 is an output unit that notifies a drone state (especially an error state) by a recorded human voice, a synthesized voice, or the like. Depending on the weather condition, the visual display of the drone 100 during flight may be difficult to see, and in such a case, voice communication is effective.
  • the warning light 521 is a display means such as a strobe light for notifying a drone state (especially an error state). These input / output means may be selected according to the cost target and performance requirements of the drone, and may be duplicated / multiplexed.
  • the drone system 500 roughly includes a control unit 20 and a fuel cell power supply device 502 as components for operating with a fuel cell, and the control unit 20 and the fuel cell power supply device 502 cooperate.
  • the control unit 20 has a function unit for stably controlling the power generation amount of the fuel cell power supply device 502, in addition to the flight control unit 21 for controlling the flight of the drone 100.
  • Each functional unit of the control unit 20 is provided in a flight controller 501 shown in FIG.
  • the fuel cell power supply device 502 is a means for supplying power to the drone 100 and other components of the drone system 500.
  • the fuel cell power supply device 502 is connected to the control unit 20, and is controlled to transmit and receive information to and from the control unit 20 by various configurations described later so as to ensure the required power generation amount of the control unit 20.
  • the fuel cell power supply 502 has a function of transmitting its internal state to the flight controller 501 in addition to a power supply function.
  • the fuel cell power supply device 502 includes a fuel cell 50, a fuel cell measurement unit 52, a transmission unit 53, a reaction gas supply unit 54, and a failure detection unit 55.
  • the fuel cell 50 has a device 700 connected to the fuel cell 50 by reacting hydrogen gas and oxygen gas supplied to the anode side and the cathode side, respectively, in the vicinity of the upper surface of the membrane electrode structure. Supply power.
  • the device 700 is, for example, a flight controller 501, a component mounted on the drone 100, and various components that consume power such as an air supply device 622 included in the fuel cell power supply device 502. .
  • the fuel cell 50 includes, for example, a membrane electrode assembly (MEA; Membrane Electrode Assembly) 60 in which one surface of a solid polymer electrolyte membrane 600 is sandwiched by a hydrogen electrode 601 (anode side) and the other surface is sandwiched by an oxygen electrode 602 (cathode side). Have been. On both surfaces of the membrane electrode structure 60, catalysts 603 for promoting the reaction between hydrogen and oxygen are arranged, and on the outer surfaces of the catalyst 603, diffusion layers 604 are arranged respectively. In the fuel cell 50, a plurality of the membrane electrode structures 60 are stacked via a separator, and each of the membrane electrode structures 60 is electrically connected in series to form a fuel cell stack (FC-stack) 60s shown in FIG. Has formed. The form of the fuel cell is not limited to this.
  • FC-stack fuel cell stack
  • a hydrogen tank 612 is connected to the hydrogen electrode side of the fuel cell 50, that is, the anode flow path 610 via a hydrogen gas supply pipe 611. Hydrogen gas having a higher pressure than the hydrogen partial pressure in the anode flow channel 610 is stored in the hydrogen tank 612, and the hydrogen gas flows into the anode flow channel 610 through the hydrogen gas supply pipe 611.
  • the hydrogen gas supply pipe 611 is provided with a hydrogen supply valve 613, a flow meter 614, and a pressure gauge 615, for example, in this order from upstream, and is connected to a fuel cell control unit 24 (see FIG. 8) described later.
  • the fuel cell control unit 24 is configured to be able to control the amount of hydrogen gas remaining in the anode channel 610 by feeding back the flow rate and the pressure.
  • the pressure gauge 615 may be provided only on the downstream side of the hydrogen supply valve 613, or the pressure gauges 615a and 615 may be provided on the upstream side and the downstream side of the hydrogen supply valve 613, respectively.
  • the hydrogen gas flows into the anode flow channel 610 due to the difference between the pressure in the hydrogen tank 612 and the hydrogen partial pressure in the anode flow channel 610.
  • a pump for sending hydrogen gas to the flow path 610 may be further provided. Note that a configuration without a pump is suitable for the drone 100 because the size of the device can be reduced.
  • the air supply device 622 is connected to the oxygen electrode side of the fuel cell 50, that is, the cathode flow path 620 via an air supply pipe 621.
  • the air supply device 622 is, for example, a fan or an air pump, and takes in outside air around the drone 100 to flow into the cathode channel 620.
  • the output amount of the air supply device 622 is controlled by the fuel cell control unit 24 (see FIG. 8). As the air supply device 622 is operated with a larger current, the amount of oxygen gas retained in the cathode channel 620 increases.
  • a flow meter 624 and a pressure gauge 625 are arranged in the air supply pipe 621, and are connected to the fuel cell control unit 24 (see FIG. 8).
  • the fuel cell control unit 24 is configured to be able to control the amount of air staying in the cathode channel 620 by feeding back the flow rate and the pressure.
  • the present embodiment is configured to take in oxygen contained in outside air, it may be configured to supply oxygen to the cathode channel 620 by another method such as an oxygen tank.
  • the hydrogen supply valve 613, the flow meter 614, and the pressure gauges 615, 615a, and the air supply device 622, the flow meter 624, and the pressure gauge 625 are connected to small batteries 630 for starting and stopping, respectively.
  • An anode-side discharge port 616 and a valve 617 for discharging water or gas remaining in the anode flow channel 610 to the atmosphere are provided downstream of the anode flow channel 610.
  • the valve 617 is, for example, a butterfly valve. The opening and closing of the valve 617 is controlled by the reaction gas supply unit 54, and the flow rate of the valve 617 can be controlled.
  • a cathode-side outlet 626 is provided downstream of the cathode channel 620 for discharging water or gas remaining in the cathode channel 620 into the atmosphere.
  • the reaction gas supply unit 54 shown in FIG. 8 is a functional unit that supplies a reaction gas to the fuel cell 50.
  • the reaction gas is a reducing gas such as hydrogen, or an oxidizing gas for reacting with the reducing gas to extract electric power.
  • the oxidizing gas is, for example, air. That is, the reaction gas supply unit 54 mainly includes the hydrogen gas supply pipe 611, the hydrogen tank 612, the air supply pipe 621, and the air supply device 622 described above.
  • the stacked membrane electrode structures 60 each have a curved IV characteristic.
  • the normal IV curve 70 shows when the membrane electrode structure 60 is operating properly.
  • the IV curve is slightly lower than the normal IV curve 70, Move into areas A to C.
  • the power generation environment of the membrane electrode structure 60 is not an ideal state, that is, when the IV curve is located in the regions A to C, when the same amount of current value is subtracted, the voltage value exhibited is the normal IV curve. It is lower than when it is at 70. However, by lowering the desired current value, the developed voltage value can be increased.
  • a desired current value for obtaining a required voltage value according to the position of the IV curve. For example, it is possible to divide the area below the normal IV curve 70 into a plurality of areas A to C and determine a desired current value based on the area to which the IV curve belongs.
  • FIG. 11 shows IV characteristics of one membrane electrode structure 60.
  • Each membrane electrode structure 60 has a position in the drone (100), a position in the fuel cell stack 60s, and It behaves on a different IV curve due to variations in the structure. Therefore, separately from the power generation amount of the entire fuel cell stack 60s, the power generation amount of the single membrane electrode structure 60 may be measured to monitor whether the membrane electrode structure 60 is operating properly. In particular, it is preferable to monitor the amount of power generated by the membrane electrode structure 60 that is disposed at a position where the power generation environment is likely to deteriorate, such as at both ends and substantially the center of the fuel cell stack 60s. This function is realized by the power generation stability determination unit 23c described later.
  • the fuel cell measuring unit 52 is a functional unit that measures a value indicating the state of the fuel cell 50.
  • the fuel cell measuring section 52 includes the flow meters 614 and 624 and the pressure gauges 615, 615a and 625 in FIG.
  • the fuel cell measurement unit 52 may have a function unit that measures whether each of the membrane electrode structures 60 included in the fuel cell 50 is performing predetermined power generation. Specifically, a sensor that measures at least some of the voltage values of each of the membrane electrode structures 60, and the impedance of the fuel cell stack 60s that can estimate the variation in the amount of power generation between the membrane electrode structures 60 May be provided.
  • the fuel cell measuring unit 52 may include a sensor that measures the temperature or humidity inside or near the fuel cell 50.
  • the responsiveness of the reaction gas in the fuel cell 50 changes depending on the reaction gas and the temperature and humidity of the membrane electrode structure 60. Therefore, the upper limit of the power generation amount of the fuel cell 50 can be estimated by further considering the temperature and humidity inside the fuel cell 50 in addition to the information on the pressure and flow rate of the hydrogen gas and the air.
  • the transmission unit 53 is a functional unit that transmits information on the fuel cell power supply device 502 to the control unit 20.
  • the transmission unit includes an outputable value transmission unit 53a, an output limit value transmission unit 53b, a power generation amount transmission unit 53c, and a power consumption transmission unit 53d.
  • the outputable value transmitting unit 53a is a functional unit that transmits a power value or a current value (hereinafter, also referred to as an “outputable value”) that can be output by the fuel cell 50 to the control unit 20.
  • the possible output value is calculated, for example, from the pressure and flow rate of the reaction gas measured by the fuel cell measuring unit 52.
  • the output limit value transmitting unit 53b is a functional unit that transmits an upper limit value (hereinafter, also referred to as an “output limit value”) of a power value or a current value output by the fuel cell 50 to the control unit 20.
  • the output limit value is calculated based on the temperature and humidity inside the fuel cell 50 acquired by the fuel cell measuring unit 52.
  • the power generation amount transmission unit 53c is a functional unit that transmits information on the amount of power generation currently being generated by the fuel cell 50 to the control unit 20.
  • the power consumption transmitting unit 53d is a functional unit that transmits power required by the fuel cell power supply device 502 to the control unit 20.
  • the failure detection unit 55 is a functional unit that detects that a failure has occurred in the fuel cell power supply device 502 itself.
  • the failure detection unit 55 may be configured to be able to transmit failure information indicating that a failure has been detected to the control unit 20.
  • the control unit 20 adjusts the receiving unit 22 for receiving information of the fuel cell power supply device 502, the determination unit 23 for determining the amount of power generation required for the fuel cell power supply device 502, and the output possible value from the fuel cell 50. And a fuel cell control unit 24 for the
  • the receiving unit 22 includes an available output value receiving unit 22a, an output limit value receiving unit 22b, a power generation amount receiving unit 22c, and a power consumption receiving unit 22d.
  • the outputable value receiving unit 22a is a functional unit that receives the outputable power generation amount of the fuel cell 50 from the outputable value transmitting unit 53a of the fuel cell power supply device 502.
  • the output limit value receiving unit 22b is a functional unit that receives the output upper limit value of the fuel cell 50 from the output limit value transmitting unit 53b of the fuel cell power supply device 502.
  • the power generation amount receiving unit 22c is a functional unit that receives the power generation amount currently generated by the fuel cell 50 from the power generation amount transmission unit 53c included in the fuel cell power supply device 502.
  • the power consumption receiving unit 22d is a functional unit that receives a power consumption value of the fuel cell power supply device 502.
  • the determining unit 23 includes a power status determining unit 23a and a target value determining unit 23b.
  • the power status determining unit 23a is a functional unit that determines the status of the fuel cell 50.
  • the fuel cell 50 is configured so that a plurality of statuses can be switched. As shown in FIG. 12, the status of the fuel cell 50 includes at least one of a preparation state, a power generation state, a shutdown state, a hydrogen gas deficiency state, and an emergency shutdown state.
  • the preparation state S1 is a state in which the fuel cell 50 is ready for power generation and is waiting for a power generation request while the drone 100 is landing.
  • the power generation state S2 is a state in which the fuel cell 50 is generating power in response to a power generation request while the drone 100 is landing or flying.
  • the shutdown state S3 is a state to which the fuel cell 50 belongs after performing a necessary operation to stop the power supply from the fuel cell 50.
  • the hydrogen gas deficiency state S4 is a state in which the amount of hydrogen gas stored in the hydrogen tank 612 is insufficient.
  • the emergency shutdown state S5 is a state in which the supply of power by the fuel cell 50 is interrupted based on an emergency situation.
  • the power supply status determination unit 23a is at least one of information on whether the fuel cell 50 is in a state capable of generating power, information on a power generation value that can be output, or the molecular weight or pressure of hydrogen gas in the anode flow path 610.
  • the status of the fuel cell 50 can be determined based on the information.
  • the power status determination unit 23a may determine the status of the fuel cell 50 based on the status information of the fuel cell 50 stored in the nonvolatile storage area 27 of the control unit 20. According to this configuration, the status of the fuel cell 50 can be quickly determined in consideration of the immediately preceding status information. Further, since the nonvolatile storage area 27 can hold the status before the drone 100 is shut down, the status of the fuel cell 50 can be determined in consideration of the status information before the shutdown.
  • the target value determination unit 23b is a functional unit that determines a power generation target value of the fuel cell 50.
  • the power generation target value is at least a value equal to or more than the power value or the current value required by the control unit 20.
  • the target value determination unit 23b calculates the power required by the control unit 20 and the fuel cell power supply device 502 after the first hour, instead of calculating the power generation target value based on the power value or the current value required at present.
  • the target value may be calculated based on the value or the current value.
  • the first time is, for example, a time longer than it takes for the fuel cell 50 to reach the target value. Since the fuel cell 50 needs to control the reaction gas in order to adjust the possible output value, it may take time to reach the target value. Therefore, by predicting the power value or the current value required after the first time in advance and transmitting the target value, the outputtable value of the fuel cell 50 more reliably reaches the target value by the specific time. Can be controlled.
  • the power value or the current value required after the first time may be calculated based on the flight plan stored in the flight controller 501.
  • the flight path and flight speed in a field are stored in advance as a flight plan. More specifically, the flight plan includes the timing of performing each operation such as acceleration, deceleration, constant velocity movement, nose turning operation, ascent, and descent of the drone 100, the order of performing each operation, and the order of each operation. It includes duration information, that is, action goals.
  • the power value required for each action target can be predicted to some extent in advance. Therefore, the power consumption per unit time in each action target is stored in advance in the target value determination unit 23b in association with the action goal.
  • the target value determination unit 23b is a flight plan, that is, acceleration, deceleration, constant velocity motion, nose turning operation, timing to perform each operation such as ascent and descent, the order of performing each operation, the duration of each operation.
  • the power consumption of the motor 102 and the pump 106 after a predetermined time can be estimated by referring to the information and at least one or more action targets among the operation timings of the pump 106.
  • the target value determination unit 23b may estimate the required power consumption of the motor 102 after a predetermined time by referring to information on the timing and duration of acceleration and deceleration.
  • the required power value or current value can be accurately estimated after the first time as compared with a machine that operates by sequentially reflecting the operation of the operator. Therefore, a sufficient time for adjustment can be obtained even from a fuel cell which requires a stable power supply.
  • the target value determination unit 23b may calculate the power generation target value based on the sum of the power consumption value of the control unit 20 and the power consumption value of the fuel cell power supply device 502.
  • the target value in this case is a value equal to or more than the power value or the current value required by the control unit 20 and the fuel cell power supply device 502. Since the fuel cell power supply device 502 includes devices such as the air supply device 622, the fuel cell power supply device 502 itself consumes power. Therefore, by controlling the fuel cell 50 to generate power in consideration of the power consumption value of the fuel cell power supply device 502 itself, the operating power of the fuel cell 50 can be secured and the operation can be continued more safely.
  • the target value determination unit 23b calculates the power value required by the fuel cell power supply device 502 after a second time after the first time.
  • the current value may be predicted and used for determining the target value.
  • the power supply to the control unit 20 can be performed smoothly.
  • the target value determination unit 23b may determine the power generation target value in consideration of the status to which the control unit 20 belongs.
  • the status includes, for example, at least one of a standby state, a flight state, a maintenance state, an evacuation state, and an emergency stop state.
  • the flight state may include an in-field flight state flying in a field and an in-field flight state flying outside the field.
  • the standby state is a state of waiting for a command from the user 402 to be input in a landing state, such as a flight start command or a drug preparation start command.
  • the in-field flight state is a state in which the drone 100 is flying in the field based on the flight plan.
  • the out-of-field flight state is a state in which the drone 100 is flying from the departure point 406 to the field 403.
  • the maintenance state is a state in which the drone 100 is performing maintenance on the drone 100 itself.
  • the evacuation state is a state during evacuation.
  • the emergency stop state is a state in which an emergency stop command is received from the pilot 401 or the emergency pilot, and a transition is made from the flight state.
  • the flight control unit 21 belongs to the state until landing through normal return or emergency return. State.
  • the power generation target value can be determined without referring to the state of the fuel cell power supply device 502 depending on the status. Can be simplified.
  • the target value determination unit 23b may include a step of determining whether the target value calculated as described above is lower than the output limit value by a predetermined amount or more. When the output value is close to or exceeds the output limit value, the target value determination unit 23b may correct the target value downward.
  • the power generation stability determination unit 23c is a functional unit that determines whether or not any of the membrane electrode structures 60 included in the fuel cell stack 60s has a power generation amount lower than a predetermined value.
  • the power generation stability determination unit 23c appropriately receives the measurement value from the fuel cell measurement unit 52 and uses it for determination.
  • the power generation stability determination unit 23c notifies the fuel cell control unit 24 of the fact.
  • the fuel cell control unit 24 may perform a recovery action described later based on this signal.
  • the fuel cell control unit 24 is a functional unit that controls the reaction gas supply unit 54 connected to the fuel cell 50 and adjusts the output possible value of the fuel cell 50.
  • the fuel cell control unit 24 is connected to a hydrogen supply valve 613, a flow meter 614, and a pressure gauge 615 disposed on the hydrogen gas supply pipe 611, respectively, and hydrogen gas having a desired flow rate or pressure is supplied to the anode flow path 610.
  • the reaction gas supply unit 54 is controlled so as to flow. Further, the fuel cell control unit 24 is connected to a flow meter 624 and a pressure gauge 625 disposed on the air supply pipe 621, respectively, so that a reaction gas such that air having a desired flow rate or pressure or more flows into the cathode flow path 620.
  • the supply unit 54 is controlled.
  • the fuel cell control unit 24 adjusts the outputtable value of the fuel cell 50 based on the status information of the fuel cell 50 determined by the power status determination unit 23a.
  • the fuel cell 50 can generate power according to the partial pressure of the reaction gas only when the internal reaction gas is supplied according to the procedure and the partial pressure is adjusted to a predetermined range. If the fuel cell control unit 24 operates the reaction gas supply unit 54 in a state where the fuel cell 50 is not sufficiently prepared for power generation, the membrane electrode structure 60 itself may be damaged. Therefore, the fuel cell control unit 24 determines the start of power generation by the fuel cell power supply device 502 based on the status of the fuel cell.
  • the fuel cell control unit 24 determines to stop the power generation by the fuel cell power supply device 502 based on the status of the fuel cell 50.
  • the fuel cell control unit 24 may transmit the status of the fuel cell 50 to the user 402 through the pilot 401. Further, among the statuses of the fuel cell 50, the hydrogen gas deficiency state S4 and the emergency cutoff state S5 are states in which an abnormality has occurred, and therefore, the fail information or the warning display may be displayed on the pilot 401. Further, the fail information and the warning may be transmitted to the fuel cell power supply device 502.
  • the fuel cell control unit 24 controls the reaction gas supply unit 54 to shift the status of the fuel cell 50.
  • the fuel cell control unit 24 controls the reaction gas supply unit 54 to adjust the outputtable value.
  • the fuel cell control unit 24 shifts the status of the fuel cell 50 to the shutdown state.
  • the fuel cell control unit 24 shifts the status of the fuel cell 50 to the preparation state S1.
  • the fuel cell control unit 24 When the status of the fuel cell 50 is in a hydrogen gas-out state, a desired hydrogen gas cannot be supplied to the anode flow path 610 even if the hydrogen supply valve 613 is sufficiently opened. Therefore, when the fuel cell 50 is out of hydrogen gas, the fuel cell control unit 24 lowers the target value according to the amount of stored hydrogen gas or stops the fuel cell 50 from generating power. That is, the fuel cell control unit 24 may cause the drone 100 to retreat to the departure and arrival point 406, and then shift the fuel cell 50 to the shutdown state S3.
  • the fuel cell control unit 24 detects that an abnormality has occurred in the fuel cell power supply device 502, transmits an emergency shutdown command to the fuel cell power supply device 502, and shifts the status of the fuel cell 50 to the emergency shutdown state S5. Let it.
  • the abnormality of the fuel cell power supply device 502 may be detected based on information from the failure detection unit 55 included in the fuel cell power supply device 502, or the output possible value, the power generation amount, and the fuel cell The detection may be performed based on the power consumption of the power supply device 502 or the like.
  • the fuel cell control unit 24 waits for a request for power generation until the fuel cell 50 is ready for power generation. Further, the fuel cell control unit 24 may shift the fuel cell 50 to the shutdown state S3 and safely shut down the fuel cell 50 in an appropriate procedure.
  • the fuel cell control unit 24 When the status of the fuel cell 50 is in the power generation state S2, the fuel cell control unit 24 outputs the target value determined by the target value determination unit 23b and the output of the fuel cell 50 received by the output possible value reception unit 22a.
  • the reaction gas supply unit 54 is controlled by comparing the values. By controlling the reaction gas supply unit 54, the fuel cell control unit 24 can execute an operation of increasing the supply amount of the reaction gas and a hydrogen purge described later. The operation of increasing the supply of reactant gas and the hydrogen purge are examples of recovery actions.
  • the evacuation behavior includes normal landing operation, air suspension such as hovering, and “emergency return” in which the vehicle immediately moves to a predetermined return point via the shortest route.
  • the predetermined return point is a point stored in advance in the flight controller 501, and is, for example, a point where the aircraft has taken off.
  • the predetermined return point is, for example, a land-based point where the user 402 can approach the drone 100, and the user 402 can inspect the drone 100 that has reached the return point or manually carry it to another place. can do.
  • the evacuation behavior may be “normal return” in which the user moves to a predetermined return point on an optimized route.
  • the optimized route is, for example, a route calculated with reference to the route on which the medicine is sprayed before receiving the normal feedback command.
  • the drone 100 moves to a predetermined return point while spraying a medicine via a route where the medicine has not been sprayed yet.
  • the evacuation behavior also includes an “emergency stop” in which all the rotors are stopped and the drone 100 is dropped from the place.
  • the fuel cell control unit 24 compares the target value with the outputable value (S12). When the possible output value is within a specific range that is equal to or more than the predetermined value as compared with the target value, the fuel cell control unit 24 requests power supply without changing the operation of the reaction gas supply unit 54 (S13). It is determined whether the possible output value exceeds the specific range or less than the specific range (S14).
  • Step S15 If the possible output value is equal to or more than the specific range, the power supply is requested (S15), and the reactant gas is Is reduced (S16). Specifically, the opening of the hydrogen supply valve 613 is reduced, the operation amount of the air supply device 622 is reduced, or both are performed. Steps S15 and S16 are in no particular order.
  • the fuel cell control unit 24 controls the reaction gas supply unit 54 to increase the supply amount of the reaction gas (S17). Specifically, the hydrogen supply valve 613 is opened more, or the air supply device 622 is operated more to try to increase the output possible value.
  • step S18 it is determined again whether or not the possible output value is within a specific range (S18). If it is within a specific range, a power supply is requested (S19). If not, the process proceeds to step S20. If the possible output value exceeds the specific range in step S18, the supply amount of the reaction gas may be reduced. The amount of increase in the supply amount of the reaction gas in step S17 is small, and is unlikely to exceed a specific range. The same applies to the following description.
  • step S17 determines whether the number of trials in step S17, that is, the number of attempts to increase the supply amount of the reaction gas has reached a predetermined number (S20), and the number of trials has reached the predetermined number. If not, the process returns to step S17. If the number of trials in step S17 has reached the predetermined number, the process proceeds to step S21.
  • the fuel cell control unit 24 performs hydrogen purging (S21).
  • the hydrogen purge is one mode of an operation for increasing the amount of power generated by the fuel cell 50.
  • the hydrogen supply valve 613 is further opened with the anode-side exhaust port 616 and the valve 617 opened, and hydrogen gas flows into the anode channel 610 at a high flow rate.
  • the hydrogen gas is blown to the anode side of the fuel cell stack 60s, and blows off water attached to the catalyst 603 on the anode side, in particular, to remove it.
  • the blown water is discharged from the anode-side discharge port 616.
  • This step may be performed multiple times intermittently in a short time with one hydrogen purge.
  • the water attached to the anode side of the fuel cell stack 60s reduces the responsiveness of hydrogen and oxygen in the membrane electrode structure 60. According to the configuration in which water is removed by hydrogen purging, the possible output value of the fuel cell 50 can be increased.
  • step S22 it is determined again whether the possible output value is within a specific range (S22), and if it is within the specific range, a request for power supply is made (S23). If the possible output value does not reach the specific range, it is determined whether the number of hydrogen purges (S21) has reached a predetermined number (S24), and if not, the process returns to step S17. If the number of trials in step S21 has reached the predetermined number, the target value is lowered, and a power-saving flight in which the flight continues with a small amount of power generation is started (S25). Specifically, the power-saving flight is a flight mode in which acceleration and deceleration are alleviated, and an operation for reducing the speed or altitude is performed in combination.
  • the target value in the power saving flight is compared with the output possible value to determine whether the target value is within a specific range with respect to the output possible value (S26). If the target value is in a specific range, a request for power supply is made (S27). If the target value is below the specific range, the drone 100 is caused to perform an evacuation action (S28).
  • the output of the fuel cell 50 can be adjusted while the flight of the drone 100 is continued. it can.
  • measures to lower the power generation target value will be taken, and if power generation is still insufficient, the evacuation action will be taken. By doing so, safe flight can be continued as long as possible.
  • the leak detection unit 28 is a functional unit that detects that excessive hydrogen gas is leaking around the drone system 500, and has, for example, a hydrogen concentration sensor. Hydrogen gas is flammable, and there is a danger of application if the concentration is higher than a predetermined value. Therefore, when the hydrogen concentration is equal to or higher than a predetermined value, a configuration may be adopted in which an evacuation action is taken.
  • the control unit 20 transmits a command to start the hydrogen gas pressure gauge 615 to the fuel cell power supply device 502 (S30). At this time, the pressure gauge 615 is driven by the battery 630. Prior to step S30, information indicating that preparation for power supply to the pressure gauge 615 by the battery 630 has been completed may be transmitted from the fuel cell power supply device 502 to the control unit 20.
  • the fuel cell power supply device 502 activates the pressure gauge 615 based on an instruction from the control unit 20 (S31), and measures the pressure of the hydrogen gas (S32). At this time, the hydrogen supply valve 613 is closed.
  • the control unit 20 receives the pressure value of the hydrogen gas (S33).
  • the pressure value of the hydrogen gas is determined (S34). If the pressure value is less than a predetermined value, information indicating that the hydrogen gas needs to be refilled into the hydrogen tank 612 is notified to the user 402 through the pilot 401 or the like.
  • control unit 20 transmits a command to acquire the current / voltage characteristics of the fuel cell 50 to the fuel cell power supply device 502 (S35).
  • the fuel cell power supply device 502 acquires the current / voltage characteristics and transmits the acquired current / voltage characteristics to the control unit 20 (S36).
  • the control unit 20 receives the current / voltage characteristics (S37), determines that the fuel cell 50 is in a startable state (S38), and transmits a start command to the fuel cell power supply device 502 (S39). .
  • the fuel cell power supply device 502 that has received the start command enters a state of waiting for an operation permission command from the control unit 20 (S40).
  • the control unit 20 obtains information necessary for activating the fuel cell 50 and determines whether or not the fuel cell 50 can be activated, and based on a command from the control unit 20, the fuel cell 50 starts power generation.
  • the control of the flight and the fuel cell can be performed collectively by the control unit 20. Further, when the flight control side has a restriction on the power generation of the fuel cell, the operation of the fuel cell 50 can be determined by immediately referring to the information from the flight control unit 21.
  • the control unit 20 may include a step of transmitting an operation permission command to the fuel cell power supply device 502 subsequent to step S40.
  • the fuel cell power supply device 502 shifts to a power generation state and starts power generation. Instead of starting power generation immediately after the fuel cell 50 is ready for power generation, power generation is started based on a further operation permission command, so that the control unit 20 and the fuel cell power supply device 502 can cooperate more safely. System can be realized.
  • the power source of the flight of the drone 100 is only the fuel cell 50, but a battery may be mounted together.
  • the agricultural chemical spraying drone has been described as an example.
  • the technical idea of the present invention is not limited to this.
  • a drone for another use or a machine capable of operating by using a fuel cell as power is used.

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Abstract

【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システム。 【解決策】　ドローン１００に搭載される制御部２０と、制御部に電力を供給可能な燃料電池電源装置５０２と、が協調して動作するドローンシステム５００であって、制御部は、飛行制御部２１と、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２３ｂと、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２２ａと、燃料電池電源装置の発電量を受信する発電量受信部２２ｃと、発電目標値に基づいて発電量を制御する燃料電池制御部２４と、を備え、燃料電池電源装置は、燃料電池５０と、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部５４と、燃料電池の作動状態を検知して出力可能値を制御部に送信する出力可能値送信部５３ａと、発電量を発電量受信部に送信する発電量送信部５３ｃと、を備える。

Description

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
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
特許公開公報　特開２００１－１２０１５１ 特許公開公報　特開２０１７－１６３２６５ 特許公開公報　特開２０１７－１１４１８６
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。 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。 上記ドローンの右側面図である。 上記ドローンの背面図である。 上記ドローンの斜視図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 上記燃料電池のステータスを示す状態遷移図である。 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。 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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）。
　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）。
　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）。
　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。
　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。
　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。
　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。
　（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。
 

 

Claims (17)

  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、
    　を備える、ドローンシステム。
     
  2. 　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記載のドローンシステム。
     
  3. 　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又は２記載のドローンシステム。
     
  4. 　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３のいずれかに記載のドローンシステム。
     
  5. 　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、請求項１乃至４のいずれかに記載のドローンシステム。
     
  6. 　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５記載のドローンシステム。
     
  7. 　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、請求項１乃至６のいずれかに記載のドローンシステム。
     
  8. 　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７記載のドローンシステム。
     
  9. 　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８のいずれかに記載のドローンシステム。
     
  10. 　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９のいずれかに記載のドローンシステム。
     
  11. 　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１０記載のドローンシステム。
     
  12. 　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１０又は１１記載のドローンシステム。
     
  13. 　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１２のいずれかに記載のドローンシステム。
     
  14. 　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１３のいずれかに記載のドローンシステム。
     
  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、
    　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、ドローンシステムの制御方法。
     
  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、ドローンシステム制御プログラム。
     
  17. 　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、ドローン。
     
     

     
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