JP2021503698A - ドローン用燃料電池パワーパック及びそれの状態情報モニタリング方法 - Google Patents

ドローン用燃料電池パワーパック及びそれの状態情報モニタリング方法 Download PDF

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Abstract

本発明に係るドローン用燃料電池パワーパックは、ドローンに結合されるパワーパック本体、上記パワーパック本体内に内蔵され燃料と空気を供給されて上記ドローンに電気を供給する燃料電池スタックモジュール、上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を検出する状態情報検出部、有線又は無線で上記パワーパック本体の外部に情報を伝送するか外部から情報を受信するパワーパック通信部、及び上記状態情報検出部によって検出された上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を上記パワーパック本体の外部に伝送するように上記パワーパック通信部を制御するパワーパック制御器を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ドローン用燃料電池パワーパック及びそれの状態情報モニタリング方法に関し、より詳細には、水素などガスを用いて電源を供給する燃料電池パワーパック（Fuel Cell Power-Pack）がドローン（Drone）に装着された場合に、既存のバッテリーに比べて飛行時間とペイロード（Payload）を高められるように、燃料電池スタックモジュールの状態情報及びドローンの飛行情報に基づいて燃料電池パワーパックを制御し、燃料電池パワーパックの状態をモニタリングすることに関する。
一般に、ドローン（Drone）は、バッテリーの電力を用いて多数個のプロペラを回転させることにより、空を飛行する無人飛行体の一種で、ユーザのリモコン操作や自動航法システムによって飛行ができるように実現される。
かかるドローンは、最初は軍事用の無人航空機として開発されたが、近年は、企業、メディア、個人のための用途としても使用されている。
例えば、新聞、放送業界や映画製作会社は、ドローンを撮影用機器として活用しており、配達業界では、数年以内にドローンを実際に配達サービスに活用する予定である。
特に、グーグル、フェイスブック、アマゾンといったＩＴ企業は、最近ドローンの開発に惜しまず投資しており、その中でアマゾンは、在庫管理と流通システムを自動化するにあたって、ドローンを用いた配送システムを公開した。すなわち、宅配職員がしていた仕事をドローンが代わりにする流通サービスのために、ドローンを開発する研究員を大挙雇ったのである。
しかしながら、最近まで開発されているドローンは、バッテリーの消耗量が大きいという短所があるため、配送のための目的にドローンを活用する際には、配送距離と配送物品による荷重によってバッテリーに貯蔵された電力が短時間に放電するという問題点がある。
かかる問題点を解決するためのバッテリーの代替手段として、燃料電池がある。燃料電池は、バッテリーとは異なり、燃料が投入され次第、電源を生成するシステムであるので、バッテリーよりさらに長期間飛行が可能になる。
ドローンの長期間飛行が可能になりながら、飛行命令システムとモニタリングの重要性が増している。現在、大半のドローンは、操縦機のリモートコントロールによって飛行をし、ドローンが飛行できる距離は短い。長期間飛行のためには、非可視圏での飛行が可能でなければならず、この場合、ドローン及びその電力を供給する燃料電池の状態情報をモニタリングできなければならない。また、既存のドローンの場合、バッテリーの電圧値のみを測定してバッテリーの状態を確認していたが、燃料電池の場合、ドローンの状態に関する情報を交流するのが重要である。
本発明の技術的課題は、水素などガスを用いて電源を供給する燃料電池パワーパックがドローンに装着された場合に、既存のバッテリーに比べて飛行時間とペイロードを高められるように、燃料電池パワーパックが自分の状態情報を検出して、通信モジュールを介して地上にある管理コンピュータ（ＰＣ）又はユーザのスマート端末機に伝送するか、ドローンと共有できるようにし、ドローンから飛行情報を伝達されて別途で又は自分の状態情報と共に管理コンピュータ（ＰＣ）とユーザ端末機などに伝送することで燃料電池状態をモニタリングして、ドローンの長期間飛行運転に活用できるようにするドローン用燃料電池パワーパック及びそれの状態情報モニタリング方法を提供することにある。
本発明に係るドローン用燃料電池パワーパックは、ドローンに結合されるパワーパック本体、上記パワーパック本体内に内蔵され燃料と空気を供給されて上記ドローンに電気を供給する燃料電池スタックモジュール、上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を検出する状態情報検出部、有線又は無線で上記パワーパック本体の外部に情報を伝送するか外部から情報を受信するパワーパック通信部、及び上記状態情報検出部によって検出された上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を上記パワーパック本体の外部に伝送するように上記パワーパック通信部を制御するパワーパック制御器を含む。
一例によって、上記燃料電池スタックモジュールは、互いに電気的に連結された複数の燃料電池スタックを含み、上記パワーパック制御器は、上記状態情報検出部の検出結果に対応して上記複数の燃料電池スタックのそれぞれをオン（Ｏｎ）又はオフ（Ｏｆｆ）させることを特徴とする。
一例によって、上記パワーパック制御器は、上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を無線で管理サーバに伝送するように上記パワーパック通信部を制御することを特徴とする。
一例によって、上記パワーパック制御器は、上記ドローンから飛行情報を受信して、上記飛行情報及び上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を無線で管理サーバに伝送するように上記パワーパック通信部を制御することを特徴とする。
一例によって、上記パワーパック制御器は、上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を有線で上記ドローンに伝送するように上記パワーパック通信部を制御することを特徴とする。
一例によって、上記状態情報検出部は、上記燃料電池スタックモジュールの温度、電圧、電流、圧力又は水素燃料の圧力のうち少なくともいずれか一つの情報を検出することを特徴とする。
本発明の実施例に係るドローン運用システムを提供する。ドローン運用システムは、飛行制御器を含むドローン及び上記ドローンに結合されるパワーパック本体を含み、上記パワーパック本体は、燃料と空気を供給されて上記ドローンに電気を供給する燃料電池スタックモジュール、上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を検出する状態情報検出部、有線又は無線で上記パワーパック本体の外部に情報を伝送するか外部から情報を受信するパワーパック通信部、及び上記状態情報検出部によって検出された上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を上記パワーパック本体の外部に伝送するように上記パワーパック通信部を制御するパワーパック制御器を含む。
一例によって、上記燃料電池スタックモジュールは、互いに電気的に連結された複数の燃料電池スタックを含み、上記パワーパック制御器は、上記状態情報検出部の検出結果に対応して上記複数の燃料電池スタックのそれぞれをオン（Ｏｎ）又はオフ（Ｏｆｆ）させることを特徴とする。
一例によって、上記パワーパック制御器は、上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送するように上記パワーパック通信部を制御することを特徴とする。
一例によって、上記パワーパック制御器は、上記ドローンから飛行情報を受信して、上記飛行情報及び上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送するように上記パワーパック通信部を制御することを特徴とする。
一例によって、上記パワーパック制御器は、上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を有線で上記飛行制御器に伝送するように上記パワーパック通信部を制御することを特徴とする。
一例によって、上記ドローンは、ドローン通信部をさらに含み、上記飛行制御器は、上記パワーパック通信部を通じて受信した上記燃料電池スタックモジュールの状態情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送するように上記ドローン通信部を制御することを特徴とする。
一例によって、上記飛行制御器は、上記状態情報と共に上記ドローンの飛行情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送するように上記ドローン通信部を制御することを特徴とする。
本発明の実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法を提供する。ドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法は、ドローンに電気を供給する燃料電池パワーパックの状態情報を検出するステップ、上記燃料電池パワーパックの状態情報をメモリに保存するステップ、及び上記保存された上記燃料電池パワーパックの状態情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送する状態情報伝送ステップを含むことを特徴とする。
ドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法は、上記燃料電池パワーパックは、互いに電気的に連結された複数の燃料電池スタックモジュールを含み、上記燃料電池スタックモジュールの状態情報に対応して上記燃料電池スタックモジュールのそれぞれをオン（Ｏｎ）又はオフ（Ｏｆｆ）させるステップをさらに含むことを特徴とする。
ドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法は、上記燃料電池パワーパックが上記ドローンから飛行情報を受信するステップをさらに含み、上記状態情報伝送ステップは、上記飛行情報と上記状態情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送することを特徴とする。
ドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法は、上記状態情報伝送ステップは、上記燃料電池パワーパックの状態情報を有線で上記ドローンの飛行制御器に伝送するステップ、及び上記飛行制御器が上記燃料電池パワーパックの状態情報を無線で上記管理サーバ又は上記ユーザ端末機に伝送するステップを含むことを特徴とする。
ドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法は、上記燃料電池パワーパックの状態情報は、上記燃料電池パワーパックの温度、電圧、電流、圧力又は水素燃料の圧力のうち少なくともいずれか一つの情報を含むことを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池スタックモジュールが複数個で構成された燃料電池パワーパックをドローンに装着し、ドローンの消耗電力によって自動で燃料電池スタックモジュールを選択して電源を可変的に提供することにより、ドローンの飛行に必要な電源に応じて自動的に対応することができる。
また、燃料電池パワーパック自体で各センサを通じて状態情報を把握し、把握された状態情報をドローンを経由して地上にある管理サーバに伝送するか、パワーパック自体で無線通信機能を用いて直接地上にある管理サーバに伝送することができる。
また、ドローンの飛行情報を受けることができない構造では、燃料電池パワーパック自体の情報のみ無線通信機能を用いて地上管理サーバに伝送することができる。したがって、地上にある管理サーバは、燃料電池パワーパックから受信された状態情報を活用してドローンの飛行動作に適用するか、ユーザ端末機に伝送して、ユーザ（管理者）がドローンの飛行、電源供給状態及び燃料電池パワーパックの状態を確認できるようにする。
また、バッテリーの代替手段としての燃料電池は、バッテリーとは異なり、燃料が投入され次第、電源を生成するシステムであるので、ドローンに燃料電池パワーパックを装着することにより、一般のバッテリーよりもさらに長く長期間飛行することができる。
また、既存の大半のドローンが操縦機のリモートコントロールによって飛行し、その飛行距離が非常に短いのに対し、本発明は、長期間飛行ができることによって、ドローンの飛行命令システムとそのモニタリングの重要性を浮き彫りにすることができる。
また、ドローンに電力を供給する燃料電池パワーパックの状態情報をモニタリングできるようになることにより、ドローンの長期間飛行のための非可視圏での飛行が可能であるという長所がある。
そして、既存のドローンの場合、バッテリーの電圧値のみを測定してバッテリーの状態を確認していたが、本発明に係る燃料電池の場合、ドローンの飛行情報を交流するのが可能であって、燃料電池パワーパックの状態に応じてドローンの飛行時間を調節することができるという長所がある。
本発明の第１実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステムの全体的な構成を概略的に示す構成図である。 本発明の実施例に係る燃料電池パワーパックの構造を概略的に示す図である。 本発明の実施例に係るスタックモジュールの構造を概略的に示す図である。 本発明の実施例に係る燃料電池パワーパックの内部構成を概略的に示す構成図である。 本発明の実施例に係る燃料電池パワーパックについて状態検出部を通じて電圧レベルを検出する例を示す図である。 本発明の第２実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステムの全体的な構成を概略的に示す構成図である。 本発明の第３実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステムの全体的な構成を概略的に示す構成図である。 本発明の第３実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが状態情報をドローン本体の飛行制御器に有線で伝達する例を示す図である。 本発明の実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックの状態情報モニタリング方法を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の他の実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックの状態情報モニタリング方法を説明するためのフローチャートを示す図である。
以下、添付の図面を参考にして、本発明の実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、種々の異なる形態に実現されることができ、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明を明確に説明するために、説明と関係ない部分は省略し、明細書全体を通じて同一又は類似する構成要素に対しては、同じ参照符号を付している。
明細書全体において、ある部分が他の部分と「連結」されているというとき、これは「直接連結」されている場合のみならず、その中間に他の素子を置いて「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」というとき、これは特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含むことができるということを意味する。
ある部分が他の部分の「上に」あると言及する場合、これはまさに他の部分の上にあり得るか、その間に他の部分が伴われることができる。対照的に、ある部分が他の部分の「真上に」あると言及する場合、その間に他の部分が伴われない。
第１、第２及び第３などの用語は、多様な部分、成分、領域、層及び／又はセクションを説明するために使用されるが、これらに限定されない。これらの用語は、ある部分、成分、領域、層又はセクションを、他の部分、成分、領域、層又はセクションと区別するためにのみ使用される。よって、以下に述べる第１部分、成分、領域、層又はセクションは、本発明の範囲を逸脱しない範囲内で第２部分、成分、領域、層又はセクションと言及されることができる。
ここで使用される専門用語は、単に特定の実施例を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使用される単数形は、文句がこれと明らかに反対の意味を示さない限り、複数形も含む。明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、ステップ、動作、要素及び／又は成分を具体化し、他の特性、領域、整数、ステップ、動作、要素及び／又は成分の存在や付加を除くものではない。
「下」、「上」などの相対的な空間を示す用語は、図面に示されたある部分の他の部分に対する関係をより容易に説明するために使用されることができる。このような用語は、図面で意図した意味と共に、使用中の装置の他の意味や動作を含むように意図される。例えば、図面中の装置を反転させると、他の部分の「下」にあるものと説明されたある部分は、他の部分の「上」にあるものと説明される。よって、「下」という例示的な用語は、上と下の方向をいずれも含む。装置は、９０゜回転又は他の角度で回転することができ、相対的な空間を示す用語もこれに基づいて解釈される。
別に定義してはいないが、ここに使用される技術用語及び科学用語を含むすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解する意味と同じ意味を有する。普通使用される辞書に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に合致する意味を有するものと追加解釈され、定義されない限り、理想的であるか非常に公式的な意味と解釈されない。
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。ところが、本発明は、種々の異なる形態に実現されることができ、ここで説明する実施例に限定されない。
図１は、本発明の第１実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステムの全体的な構成を概略的に示す構成図であり、図２は、本発明の実施例に係る燃料電池パワーパックの構造を概略的に示す図であり、図３は、本発明の実施例に係るスタックモジュールの構造を概略的に示す図であり、図４は、本発明の実施例に係る燃料電池パワーパックの内部構成を概略的に示す構成図である。説明の便宜のために、図１〜図４を一緒に説明する。
図１〜図４を参照すれば、本発明の第１実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステム１００は、燃料電池パワーパック（Fuel Cell Power-Pack）１１０と、ドローン本体１２０、管理サーバ１３０、ユーザ端末機１４０及び地上制御装置（Ground Control Station, ＧＣＳ）１５０を含む。
ここで、燃料電池パワーパック１１０は、ドローン本体１２０に装着され、ドローン本体１２０に電源を供給し、 地上にある管理サーバ１３０と無線で通信することができる。燃料電池パワーパック１１０とドローン本体１２０とは、別途の装置を通じて連結される構成であってもよい。但し、燃料電池パワーパック１１０は、ドローン本体１２０に内蔵されることもできる。
燃料電池パワーパック１１０は、一つ以上の電気的に連結された燃料電池スタックモジュール１１１と、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１に関する状態情報を検出する状態情報検出部１１２、検出された状態情報を管理サーバ１３０に伝送するように制御するパワーパック制御器１１３、及び検出された状態情報を管理サーバ１３０に無線で送出するパワーパック通信部１１４を含む。図１において、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１は、スタック１、スタック２、…、スタックｎなどで示した。燃料電池スタックモジュール１１１、状態情報検出部１１２、パワーパック制御器１１３及びパワーパック通信部１１４は、パワーパック本体（図示せず）内に収容されることができ、パワーパック本体（図示せず）は、燃料電池スタックモジュール１１１、状態情報検出部１１２、パワーパック制御器１１３及びパワーパック通信部１１４が収容される容器（container）であってもよい。パワーパック本体（図示せず）は、ドローン本体１２０と物理的に結合されることができる。
また、燃料電池パワーパック１１０は、複数個の燃料電池スタックモジュール１１１に関する状態情報を保存するメモリ（図示せず）をさらに含むことができる。
また、燃料電池パワーパック１１０は、燃料電池スタックモジュール１１１が複数個で電気的に連結され、このような複数個の燃料電池スタックモジュール１１１が、パワーパック制御器１１３の制御によってオン（ＯＮ）又はオフ（ＯＦＦ）して、ドローン本体１２０に電源を供給する。よって、燃料電池パワーパック１１０は、複数個の燃料電池スタックモジュール１１１が電気的に連結されてモジュール化され、このようなモジュール上に燃料電池スタックモジュール１１１に対するオン（ＯＮ）又はオフ（ＯＦＦ）を制御するためのパワーパック制御器１１３が装着される。このとき、燃料電池パワーパック１１０は、モジュール内に一つ以上複数個の燃料電池スタックモジュール１１１が並列で又は直列で電気的に連結されるように構成されることができる。
また、一つの燃料電池スタックモジュール１１１は、一つの燃料電池スタック１１１−１に一つのスタックコントローラ（Stack Controller）１１１−２が装着された構造を有することができる。一つの燃料電池スタック１１１−１は、一つ以上の単位セルが電気的に連結されながら積層されて形成されるが、一つ以上の単位セルが分離板を通じて分離されながら接続端子を介して電気的に連結されて、各セルが積層される構造を有する。これは例示的なものに過ぎず、これに限定せず、他の構造にも実現することができる。
本発明の実施例に係る燃料電池パワーパック１１０は、ドローン本体１２０の内部に装着されるものと示すが、これに限定されず、ドローン本体１２０の外部に装着されるものとしても実現可能である。
また、燃料電池パワーパック１１０は、図４に示すように、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１がオン（ＯＮ）駆動されることによって発生する熱による温度を検出する温度センサ１１５、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１に対する電圧を検出する電圧センサ１１６、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１に対する電流を検出する電流センサ１１７、及び燃料電池パワーパック１１０の圧力と燃料タンク内の水素圧力を検出する圧力センサ１１８を含むことができる。パワーパック制御器１１３は、温度センサ１１５を通じて検出された温度情報、電圧センサ１１６を通じて検出された電圧情報、電流センサ１１７を通じて検出された電流情報、及び圧力センサ１１８を通じて検出された圧力情報をパワーパック通信部１１４を通じて無線通信で管理サーバ１３０に伝送するか、メモリに保存することができる。すなわち、パワーパック制御器１１３は、状態情報検出部１１２を制御して、燃料電池スタックモジュール１１１の温度、電圧、電流、圧力又は燃料電池パワーパック１１０の一構成である燃料タンク内の水素燃料の圧力のうち少なくともいずれか一つの情報を検出することを特徴とする。温度情報、電圧情報、電流情報及び圧力情報を含む情報は、状態情報と定義されることができる。
このとき、状態情報検出部１１２は、燃料電池スタックモジュール１１１に対する電圧レベルを検出することができる。すなわち、状態情報検出部１１２は、図５に示すように、それぞれの燃料電池スタックモジュール１１１のアノード（Anode）端子１１１ａとカソード（Cathode）端子１１１ｂを通じて燃料電池スタックモジュール１１１に対する電圧レベル（Ｖ）を検出するのである。燃料電池パワーパック１１０がドローン本体１２０に装着されると、パワーパック制御器１１３は、状態情報検出部１１２が測定した燃料電池スタックモジュール１１１の全体電圧値を通じてドローン本体１２０の負荷が一定の電力を要求することを認識することができる。また、燃料電池パワーパック１１０は、ドローン本体１２０の負荷が要求する電力量に対応する電力量をドローン本体１２０に供給するように、燃料電池スタックモジュール１１１をオン（ＯＮ）又はオフ（ＯＦＦ）させることができる。
一方、パワーパック制御器１１３は、状態情報検出部１１２を通じて検出した電圧情報と電流情報をドローン本体１２０に有線通信を用いて直接伝送することができる。
また、パワーパック制御器１１３は、状態情報をパワーパック通信部１１４を通じて管理サーバ１３０に無線通信方式で伝送することができる。
ドローン本体１２０は、ユーザの遠隔飛行操縦によって地上制御装置１５０から飛行操縦命令を受信して飛行動作を行うことができる。ここで、飛行操縦命令は、上下操縦に関するスロットル（Throttle）命令、回転操縦に関するヨーイング（Yawing）命令、前後操縦に関するピッチ（Pitch）命令、及び左右操縦に関するローリング（Rolling）命令を含むことができる。
管理サーバ１３０は、ドローン本体１２０と無線で通信して燃料電池パワーパック１１０の状態情報を受信し、状態情報を保存及び管理することができる。
ユーザ端末機１４０は、管理サーバ１３０から燃料電池パワーパック１１０の状態情報又はドローン本体１２０の飛行状態情報を無線通信を通じて受信し、ユーザが見られるように画面上にディスプレイする。例えば、ユーザ端末機１４０は、ユーザが携帯するスマートフォンやＰＤＡ又は無線端末機などであってもよい。
地上制御装置１５０は、ドローン本体１２０の離陸や着陸、左右移動、上下移動又は自動飛行などドローン本体１２０の飛行動作を遠隔で制御し、衛星写真や地図に基づいて飛行するドローン本体１２０の周辺地理を見せる機能を提供する。
図６は、本発明の第２実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステムの全体的な構成を概略的に示す構成図である。
図６を参照すれば、本発明の第２実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステム２００は、燃料電池パワーパック１１０、ドローン本体１２０、管理サーバ１３０、ユーザ端末機１４０及び地上制御装置１５０を含むことができる。
すなわち、本発明の第２実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステム２００は、図１と類似する構成を有するが、燃料電池パワーパック１１０がドローン本体１２０から飛行情報を受信し、受信した飛行情報と状態情報検出部１１２を通じて検出した状態情報を管理サーバ１３０に直接伝送する構成が図１と異なる特徴であると言える。
また、ドローン本体１２０は、飛行動作を制御する飛行制御器１２２を含むことができる。このとき、飛行制御器１２２は、ドローン本体１２０の飛行高度、飛行速度、現在位置、飛行姿勢及び操縦状態に関する情報を含む飛行情報を有線通信でパワーパック制御器１１３に伝達することができる。
したがって、パワーパック制御器１１３は、温度センサ１１５を通じて検出された温度情報と、電圧センサ１１６を通じて検出された電圧情報、電流センサ１１７を通じて検出された電流情報、及び圧力センサ１１８を通じて検出された圧力情報を状態情報として管理サーバ１３０に無線通信を用いて直接伝送するか、ドローン本体１２０から受信した飛行高度、飛行速度、現在位置、飛行姿勢及び操縦状態などに関する情報を飛行情報として管理サーバ１３０に無線通信を用いて直接伝送することができる。
一例として、パワーパック制御器１１３は、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１がオン（ＯＮ）した状態で、ドローン本体１２０の要求する電力が一定以上に増加すると、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１をオン（ＯＮ）させて、ドローン本体１２０に供給される電源を制御することができる。
また、パワーパック制御器１１３は、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１がオン（ＯＮ）した状態で、ドローン本体１２０の要求する電力が一定以上に減少すると、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１をオフ（ＯＦＦ）させて、ドローン本体１２０に供給される電源を制御することができる。
一例として、パワーパック制御器１１３は、燃料電池パワーパック１１０における一つ又はそれ以上の燃料電池スタックモジュール１１１がオン（ＯＮ）駆動された状態で、負荷の量が低閾値未満に検出されると、残りの燃料電池スタックモジュール１１１の中で負荷の電力消耗によって一つ又はそれ以上の燃料電池スタックモジュール１１１をオン（ＯＮ）させることができる。
一例として、パワーパック制御器１１３は、一つ以上のスタックモジュール１１１がオン（ＯＮ）した状態で、ドローン本体１２０の重量が減少しながら負荷の電力消耗量も減少する場合に、一つ又はそれ以上のスタックモジュールをオフ（ＯＦＦ）させて、燃料電池パワーパック１１０からドローン本体１２０に供給される電源を調節することができる。
また、パワーパック制御器１１３は、一つ以上のスタックモジュール１１１がオン（ＯＮ）した状態で、ドローン本体１２０の重量が増加しながら負荷の電力消耗量も増加する場合に、一つ又はそれ以上のスタックモジュールをオン（ＯＮ）させて、燃料電池パワーパック１１０からドローン本体１２０に供給される電源を調節することができる。
一例として、パワーパック制御器１１３は、ドローン本体１２０が飛行を終え始めながら負荷の要求する電力量が減るにつれて、１個の燃料電池スタックモジュール１１１を除く残りの燃料電池スタックモジュール１１１を順次オフ（ＯＦＦ）させることができる。ドローン本体１２０が最終的に着地完了した後、さらに待機（idle）状態に維持されて電力消耗量がない場合にも、パワーパック制御器１１３は、最終的に１個の燃料電池スタックモジュール１１１のみをオン（Ｏｎ）状態に維持させることができる。
図７は、本発明の第３実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステムの全体的な構成を概略的に示す構成図であり、図８は、本発明の第３実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが状態情報をドローン本体の飛行制御器に有線で伝達する例を示す図である。
図７を参照すれば、本発明の第３実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステム３００は、燃料電池パワーパック１１０、ドローン本体１２０、管理サーバ１３０、ユーザ端末機１４０及び地上制御装置１５０を含むことができる。
ドローン本体１２０は、飛行動作を制御する飛行制御器（Flight Controller, １２２）と、管理サーバ１３０と無線で通信するドローン通信部１２４とを含むことができる。すなわち、本発明の第３実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックが適用されたプラットフォームシステム３００は、図６と類似する構成を有するが、燃料電池パワーパック１１０のパワーパック制御器１１３がドローン本体１２０の飛行制御器１２２と有線を通じて電気的に連結され、飛行制御器１２２は、パワーパック制御器１１３が状態情報検出部１１２を通じて検出した状態情報を有線通信を用いて伝送する構成が図６と異なる特徴であると言える。
飛行制御器１２２は、燃料電池パワーパック１１０から伝達された状態情報をドローン通信部１２４を通じて管理サーバ１３０に無線通信を用いて伝送することができる。
すなわち、燃料電池パワーパック１１０におけるパワーパック制御器１１３は、温度センサ１１５を通じて検出された温度情報と、電圧センサ１１６を通じて検出された電圧情報、電流センサ１１６を通じて検出された電流情報、及び燃料電池パワーパック１１０の圧力と燃料タンク内の水素圧力を検出する圧力センサ１１８を通じて検出された圧力情報を状態情報としてドローン本体１２０の飛行制御器１２２に有線通信を用いて伝達し、ドローン本体１２０における飛行制御器１２２は、有線で伝達された状態情報をドローン通信部１２４を通じて管理サーバ１３０に無線通信を用いて伝送するのである。
一方、ドローン本体１２０における飛行制御器１２２は、飛行動作による飛行高度、飛行速度、現在位置、飛行姿勢、操縦状態に関する情報を含む飛行情報をドローン通信部１２４を通じて無線通信を用いて管理サーバ１３０に伝送することができる。
ドローン本体１２０は、燃料電池パワーパック１１０から電源を供給されて飛行動作を行う。このとき、飛行制御器１２２は、パワーパック制御器１１３から伝送された温度情報と電圧情報、電流情報及び圧力情報が含まれた状態情報に基づいて非常時の飛行動作を制御することもできる。 また、飛行制御器１２２は、パワーパック制御器１１３から伝送された温度情報と電圧情報、電流情報及び圧力情報が含まれた状態情報を飛行情報と共にドローン通信部１２４を通じて管理サーバ１３０に伝送することができる。
他方で、燃料電池パワーパック１１０は、状態情報検出部１１２を通じて検出した状態情報を保存するためのメモリ１１９をさらに含むことができる。よって、状態情報検出部１１２は、一定の間隔ごとに燃料電池パワーパック１１０の状態を検出してメモリ１１９に保存することができ、パワーパック制御器１１３は、メモリ１１９に保存されている状態情報を一定の間隔で読み込んで、飛行制御器１２２に伝達することができる。
図９は、本発明の実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックの状態情報モニタリング方法を説明するためのフローチャートを示す図である。
図１〜図６及び図９を参照すれば、状態情報検出部１１２は、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１に関する状態情報を検出する（Ｓ９１０）。
すなわち、燃料電池パワーパック１１０における状態情報検出部１１２は、各センサを通じて温度、圧力、電圧、電流など状態情報を収集することができる。具体的に、状態情報検出部１１２は、温度センサ１１５を通じて一つ以上のスタックモジュール１１１がオン（ＯＮ）駆動されることによって発生する熱による温度を検出するか、電圧センサ１１６を通じて一つ以上のスタックモジュール１１１に対する電圧を検出するか、電流センサ１１７を通じて一つ以上のスタックモジュール１１１に対する電流を検出するか、圧力センサ１１８を通じて燃料電池パワーパック１１０の圧力を検出することのうち一つ又はそれ以上を行うことができる。
次いで、パワーパック制御器１１３は、検出された状態情報を管理サーバに伝送するようにパワーパック通信部１１４に伝達する（Ｓ９２０）。パワーパック制御器１１３は、温度センサ１１５を通じて検出された温度情報と、電圧センサ１１６を通じて検出された電圧情報、電流センサ１１７を通じて検出された電流情報、及び圧力センサ１１８を通じて検出された圧力情報をパワーパック通信部１１４に伝達することができる。このとき、パワーパック通信部１１４は、温度情報、電圧情報、電流情報及び圧力情報を含む概念の状態情報を管理サーバ１３０に伝送することができる。
また、パワーパック制御器１１３は、電圧情報と電流情報を有線通信を用いてドローン本体１２０の飛行制御器１２２に伝送することができ、状態情報を無線通信を用いてパワーパック通信部１１４に伝達することができる。
パワーパック制御器１１３は、ドローン本体１２０の飛行制御器１２２から飛行情報を受信することができる（Ｓ９３０）。パワーパック制御器１１３は、飛行制御器１２２を通じてドローン本体１２０から飛行情報を有線通信を用いて受信するか、一定の時間間隔で飛行情報をドローン本体１２０から受信することができる。ここで、飛行情報は、ドローン本体の飛行高度、飛行速度、飛行距離、現在位置、飛行姿勢、操縦状態に関する情報を含むことができる。
次いで、パワーパック制御器１１３は、ドローン本体１２０から飛行情報を受信すると、管理サーバに伝送するようにパワーパック通信部１１４に伝達する（Ｓ９４０）。パワーパック制御器１１３は、検出した状態情報と、ドローン本体１２０から受信した飛行情報をメモリに保存することができる。また、パワーパック制御器１１３は、ドローン本体１２０から受信した飛行高度、飛行速度、飛行距離、現在位置、飛行姿勢、操縦状態などを含む飛行情報をメモリ１１９に保存することができる。
パワーパック制御器１１３は、ドローン本体１２０から飛行情報を受信できなかった場合には、飛行制御器１２２に飛行情報を要請する信号を伝送することができる。
次いで、燃料電池パワーパック１１０におけるパワーパック通信部１１４は、状態情報検出部１１２を通じて検出された状態情報及びドローン本体１２０から受信した飛行情報を管理サーバ１３０に無線で伝送する（Ｓ９５０）。パワーパック通信部１１４は、状態情報検出部１１２を通じて検出した温度情報と電圧情報、電流情報及び圧力情報を含む状態情報、並びにドローン本体１２０から受信した飛行高度、飛行速度、飛行距離、現在位置、飛行姿勢、操縦状態などを含む飛行情報を管理サーバ１３０に伝送することができる。
但し、パワーパック通信部１１４は、状態情報のみ管理サーバ１３０に伝送するか、飛行情報のみ管理サーバ１３０に伝送することができる。
一方、管理サーバ１３０は、燃料電池パワーパック１１０から受信された状態情報を内部メモリに保存するか、ドローンの飛行動作に活用するように管理する機能を果たすことができる。
すなわち、管理サーバ１３０は、燃料電池パワーパック１１０から受信した燃料電池パワーパック１１０の温度情報と電圧情報、電流情報及び圧力情報が含まれた状態情報を地上制御装置１５０に伝送するか、ユーザ（管理者）が確認できるようにユーザ端末機１４０に無線で伝送することができる。
したがって、ユーザ（管理者）は、ユーザ端末機１４０を通じて状態情報を確認することができ、状態情報に基づいてドローン本体１２０の飛行可能時間や距離などを予測してみることができる。
図１０は、本発明の他の実施例に係るドローン用燃料電池パワーパックの状態情報モニタリング方法を説明するためのフローチャートを示す図である。説明の簡略化のために、重複する内容の記載は省略する。
図１〜図５、図７、図８及び図１０を参照すれば、パワーパック制御器１１３は、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１をオン（ＯＮ）又はオフ（ＯＦＦ）させる（Ｓ１０１０）。
次いで、ドローン本体１２０に装着されて飛行制御器１２２と電気的に連結された燃料電池パワーパック１１０は、オン（ＯＮ）状態にある一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１を通じてドローン本体１２０に電源を供給することができる。
次いで、状態情報検出部１１２は、一つ以上の燃料電池スタックモジュール１１１に関する状態情報を検出する（Ｓ１０２０）。
このとき、燃料電池パワーパック１１０は、状態情報検出部１１２が検出した状態情報をメモリ１１９に保存することができる。すなわち、燃料電池パワーパック１１０は、温度センサ１１５を通じて検出された温度情報と、電圧センサ１１６を通じて検出された電圧情報、電流センサ１１７を通じて検出された電流情報、及び圧力センサ１１８を通じて検出された圧力情報を含む状態情報をメモリ１１９に保存することができる。
次いで、パワーパック制御器１１３は、検出された状態情報をドローン本体１２０の飛行制御器１２２に有線通信を用いて伝送する（Ｓ１０３０）。
すなわち、パワーパック制御器１１３は、メモリ１１９に保存された状態情報又は現在検出された状態情報をドローン本体１２０の飛行制御器１２２に有線通信を用いて伝送することができる。
次いで、飛行制御器１２２は、燃料電池パワーパック１１０から伝達された温度情報と電圧情報、電流情報及び圧力情報が含まれた状態情報を通信部１１４を通じて無線通信を用いて管理サーバ１３０に伝送する（Ｓ１０４０）。
したがって、地上にある管理サーバ１３０は、燃料電池パワーパック１１０から受信された状態情報を内部のメモリに保存するか、ドローン本体１２０の飛行動作を制御するように管理するのに利用する機能を果たすことができる。
すなわち、管理サーバ１３０は、ドローン本体１２０から受信した燃料電池パワーパック１１０の状態情報を地上制御装置１５０に伝送することで地上制御装置１５０がドローン本体１２０の飛行動作を制御するのに利用できるようにするか、ユーザ（管理者）が確認できるようにユーザ端末機１４０に無線通信方式で伝送することができる。
ユーザ（管理者）は、ユーザ端末機１４０を通じて状態情報を確認し、 状態情報に基づいてドローン本体１２０の飛行可能時間や距離などを予測してみることができる。
また、ドローン本体１２０においては、飛行制御器１２２が燃料電池パワーパック１１０から伝達された状態情報に基づいてて非常時の飛行動作を制御することができる
上述した通り、本発明によれば、水素などガスを用いて電源を供給する燃料電池パワーパックがドローンに装着された場合に、既存のバッテリーに比べて飛行時間とペイロードを高められように、燃料電池パワーパックが自分の状態情報を検出して通信モジュールを介して地上にある管理コンピュータ（ＰＣ）又はユーザのスマート端末機に伝送するかドローンと共有できるようにし、ドローンから飛行情報を伝達されて別途で又は自分の状態情報と共に管理コンピュータ（ＰＣ）とユーザ端末機などに伝送することにより、燃料電池をモニタリングして、ドローンの長期間飛行運転に活用できるようにする、ドローン用燃料電池パワーパック及びそれの状態情報モニタリング方法を実現することができる。
本発明の属する技術分野における当業者は、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態に実施され得るので、以上に述べた実施例は、すべての面において例示的なものであり、限定的なものではないと理解しなければならない。本発明の範囲は、詳細な説明よりは、後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、並びにその等価概念から導出されるすべての変更又は変形された形態が、本発明の範囲に含まれるものと解釈すべきである。

Claims (18)

  1. ドローンに結合されるパワーパック本体と、
    前記パワーパック本体に内蔵され燃料と空気を供給されて前記ドローンに電気を供給する燃料電池スタックモジュールと、
    前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を検出する状態情報検出部と、
    有線又は無線で前記パワーパック本体の外部に情報を伝送するか外部から情報を受信するパワーパック通信部と、
    前記状態情報検出部によって検出された前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を前記パワーパック本体の外部に伝送するように前記パワーパック通信部を制御するパワーパック制御器とを含む、ドローン用燃料電池パワーパック。
  2. 前記燃料電池スタックモジュールは、互いに電気的に連結された複数の燃料電池スタックを含み、
    前記パワーパック制御器は、前記状態情報検出部の検出結果に対応して前記複数の燃料電池スタックのそれぞれをオン（Ｏｎ）又はオフ（Ｏｆｆ）させることを特徴とする、請求項１に記載のドローン用燃料電池パワーパック。
  3. 前記パワーパック制御器は、前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を無線で管理サーバに伝送するように前記パワーパック通信部を制御することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のドローン用燃料電池パワーパック。
  4. 前記パワーパック制御器は、前記ドローンから飛行情報を受信して、前記飛行情報及び前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を無線で管理サーバに伝送するように前記パワーパック通信部を制御することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のドローン用燃料電池パワーパック。
  5. 前記パワーパック制御器は、前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を有線で前記ドローンに伝送するように前記パワーパック通信部を制御することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のドローン用燃料電池パワーパック。
  6. 前記状態情報検出部は、前記燃料電池スタックモジュールの温度、電圧、電流、圧力又は水素燃料の圧力のうち少なくともいずれか一つの情報を検出することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のドローン用燃料電池パワーパック。
  7. 飛行制御器を含むドローンと、
    前記ドローンに結合されるパワーパック本体とを含み、
    前記パワーパック本体は、
    燃料と空気を供給されて前記ドローンに電気を供給する燃料電池スタックモジュールと、
    前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を検出する状態情報検出部と
    有線又は無線で前記パワーパック本体の外部に情報を伝送するか外部から情報を受信するパワーパック通信部と、
    前記状態情報検出部によって検出された前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を前記パワーパック本体の外部に伝送するように前記パワーパック通信部を制御するパワーパック制御器とを含む、ドローン運用システム。
  8. 前記燃料電池スタックモジュールは、互いに電気的に連結された複数の燃料電池スタックを含み、
    前記パワーパック制御器は、前記状態情報検出部の検出結果に対応して前記複数の燃料電池スタックのそれぞれをオン（Ｏｎ）又はオフ（Ｏｆｆ）させることを特徴とする、請求項７に記載のドローン運用システム。
  9. 前記パワーパック制御器は、前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送するように前記パワーパック通信部を制御することを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載のドローン運用システム。
  10. 前記パワーパック制御器は、前記ドローンから飛行情報を受信して、前記飛行情報及び前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送するように前記パワーパック通信部を制御することを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載のドローン運用システム。
  11. 前記パワーパック制御器は、前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を有線で前記飛行制御器に伝送するように前記パワーパック通信部を制御することを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載のドローン運用システム。
  12. 前記ドローンは、ドローン通信部をさらに含み、
    前記飛行制御器は、前記パワーパック通信部を通じて受信した前記燃料電池スタックモジュールの状態情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送するように前記ドローン通信部を制御することを特徴とする、請求項１１に記載のドローン運用システム。
  13. 前記飛行制御器は、前記状態情報と共に前記ドローンの飛行情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送するように前記ドローン通信部を制御することを特徴とする、請求項１２に記載のドローン運用システム。
  14. ドローンに電気を供給する燃料電池パワーパックの状態情報を検出するステップと、
    前記燃料電池パワーパックの状態情報をメモリに保存するステップと、
    前記保存された前記燃料電池パワーパックの状態情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送する状態情報伝送ステップとを含むことを特徴とする、ドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法。
  15. 前記燃料電池パワーパックは、互いに電気的に連結された複数の燃料電池スタックモジュールを含み、
    前記燃料電池スタックモジュールの状態情報に対応して前記燃料電池スタックモジュールのそれぞれをオン（Ｏｎ）又はオフ（Ｏｆｆ）させるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載のドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法。
  16. 前記燃料電池パワーパックが前記ドローンから飛行情報を受信するステップをさらに含み、
    前記状態情報伝送ステップは、
    前記飛行情報と前記状態情報を無線で管理サーバ又はユーザ端末機に伝送することを特徴とする、請求項１４又は請求項１５に記載のドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法。
  17. 前記状態情報伝送ステップは、
    前記燃料電池パワーパックの状態情報を有線で前記ドローンの飛行制御器に伝送するステップと、
    前記飛行制御器が前記燃料電池パワーパックの状態情報を無線で前記管理サーバ又は前記ユーザ端末機に伝送するステップとを含むことを特徴とする、請求項１４又は請求項１５に記載のドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法。
  18. 前記燃料電池パワーパックの状態情報は、前記燃料電池パワーパックの温度、電圧、電流、圧力又は水素燃料の圧力のうち少なくともいずれか一つの情報を含むことを特徴とする、請求項１４又は請求項１５に記載のドローン用燃料電池パワーパックの状態情報提供方法。
JP2020528059A 2017-11-24 2018-11-16 ドローン用燃料電池パワーパック及びそれの状態情報モニタリング方法 Active JP7208991B2 (ja)

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