災害支援用UAVの飛行距離延長に向けたハイブリッドバッテリー・レーザー無線電力伝送システム:熱・電気連成バッテリーサイジング最適化
Hybrid Battery–Laser Wireless Power Transfer System for Range-Extended Disaster-Relief UAVs: A Coupled Thermal–Electrical Battery Sizing Optimization
災害支援用無人航空機(UAV)の飛行時間延長は、災害後の監視任務において重要である。本研究では、地上設置レーザー光源がUAV搭載の太陽光発電(PV)アレイを追跡・充電するハイブリッドバッテリー・レーザー電力システムを提案し、光・熱・電気連成モデルとバッテリーサイジング最適化フレームワークを開発した。実験データに基づく現実的な軌道を用いた結果、提案システムはレーザーオフ構成と比較して必要なバッテリー容量を最大23.8%削減できることが示された。また、同容量のバッテリーであれば、レーザーアシスト運用によりミッション期間を約23%延長でき、UAVのペイロードを増やさずに災害支援ミッションをより長く実行可能になる。これらの結果は、災害支援用レーザー電力UAVシステムの設計指針を提供する。
- 地上設置レーザー光源がUAV搭載の太陽光発電(PV)アレイを追跡・充電するハイブリッドバッテリー・レーザー電力システムを提案した。
- 光・熱・電気連成モデルとバッテリーサイジング最適化フレームワークを開発した。
- 実験データに基づく現実的な軌道での検証により、レーザーオフ構成と比べ必要バッテリー容量を最大23.8%削減できることを示した。
- 同一容量のバッテリーであればレーザーアシスト運用でミッション期間を約23%延長でき、ペイロードを増やさずに災害支援任務を長期化できる。
- 成果は災害支援用レーザー電力UAVシステムの設計指針を提供するものである。
災害支援UAVの航続時間という運用上の制約を、地上レーザーからの無線電力伝送と機体側PVアレイの追尾充電で解く研究。バッテリー容量を最大23.8%削減、またはミッション期間を約23%延長できるという定量結果は、機体の軽量化・ペイロード余力・運用コストに直結する。レーザー送電インフラとUAV側受電・熱マネジメントの両方が必要になるため、ドローン機体メーカーだけでなく電力伝送・熱設計・バッテリーBMSのサプライヤーにも波及しうる。ただし現段階はモデルと軌道データに基づく設計指針であり、実機実証や規制(レーザー安全基準)の状況を確認してから投資判断すべき。