2018年AIOT產(chǎn)業(yè)藍皮書已正式發(fā)布

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水下機器人行業(yè)初步研究

水下機器人從20世紀后半葉誕生，是工作于水下的極限作業(yè)機器人，能潛入水中代替人完成某些操作，主要運用在海上救援、水中考察、探險及娛樂等。由于水下環(huán)境惡劣危險，人的潛水深度有限，所以水下機器人日益成為開發(fā)海洋的重要工具。

01水下機器人分類

廣義上水下機器人也可以稱作潛水器(Underwater Vehicles)，是一種可以在水下代替人在充滿未知和挑戰(zhàn)的海洋環(huán)境中完成某種任務(wù)的裝備。由于風(fēng)、浪、流、深水壓力等各種復(fù)雜的海洋環(huán)境對水下機器人的運動和控制干擾嚴重，使得水下機器人的通信和導(dǎo)航定位十分困難，這也是它與陸地機器人最大的不同，也是目前阻礙水下機器人發(fā)展的主要因素。

就外形看，目前大部分水下機器人是框架式或類似于潛艇的回轉(zhuǎn)細長體，隨著仿生技術(shù)的不斷發(fā)展，仿魚類形態(tài)甚至是運動方式的水下機器人將會不斷發(fā)展。

從種類上看，根據(jù)是否載人可以將潛水器分為載人潛水器和無人潛水器

載人潛水器由人工輸入信號操控各種動作，由潛水員和科學(xué)家通過觀察窗直接觀察外部環(huán)境。 其優(yōu)點是由人工親自做出各種核心決策，便于處理各種復(fù) 雜問題，但是人生命安全的危險性增大，由于載人需要足夠的耐壓空間、可靠的生命安全保障和生命維持系統(tǒng)，這將為潛水器帶來體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、造價高昂、工作環(huán)境受限等不利因素。

狹義上的水下機器人是指無人潛水器。無人潛水器按照與水面支持系統(tǒng)間聯(lián)系方式的不同可以分為有纜遙控水下機器人(remotely operated vehicle，簡稱 ROV)、無纜水下機器人 (autonomous underwater vehicle，簡稱 AUV))兩種。

有纜水下機器人

有纜水下機器人都是遙控式的，根據(jù)運動方式不同可分為拖曳式、(海底)移動式和浮游(自航)式三種。

有纜水下機器人(ROV)需要由電纜從母船接受動力，并且 ROV 不是完全自主的，它需要人為的干預(yù)。主要由水面設(shè)備(包括操縱控制臺、電纜絞車、吊 放設(shè)備 、供電系統(tǒng)等)和水下設(shè)備(包括中繼器和潛水器本體)組成。潛水器本 體在水下靠推進器運動，本體上裝有觀測設(shè)備(攝像機、照相機、照明燈等)和作業(yè)設(shè)備(機械手、切割器、清洗器等)。潛水器的水下運動和作業(yè)，是由操作員在水面母艦上控制和監(jiān)視，電纜向本體提供動力和交換信息，中繼器可減少電纜對本體運動的干擾。由于人們通過電纜對ROV進行遙控操作，電纜對ROV像“臍帶”對于胎兒一樣至關(guān)重要，但是由于細長的電纜懸在海中成為 ROV最脆弱的部分，大大限制了機器人的活動范圍和工作效率。

無纜水下機器人

無纜水下機器人一般是自治式機器人，它能夠依靠本身的自主決策和控制能力高效率地完成預(yù)定任務(wù)，在一定程度上代表了目前水下機器人的發(fā)展趨勢。

無纜水下機器人(AUV)又稱智能水下機器人，是將人工智能、探測識別、信息融合、智能控制、系統(tǒng)集成等多方面的技術(shù)集中應(yīng)用于同一水下載體上，在沒有人工實時控制的情況下，自主決策、控制完成復(fù)雜海洋環(huán)境中的預(yù)定任務(wù)使命的機器人。它能對觀測信息進行加工，建立環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)模型。操作人員通過人機交互系統(tǒng)以面向過程的抽象符號或語言下達命令，并接受經(jīng)計算機加工處理的信息，對潛水器的運行和動作過程進行監(jiān)視并排除故障。操作人員僅下達總?cè)蝿?wù)，機器人就能根據(jù)識別和分析環(huán)境，自動規(guī)劃行動、回避障礙、自主地完成指定任務(wù)。

從應(yīng)用場景來看，水下機器人可以分為消費類水下機器人或產(chǎn)業(yè)型水下機器人

消費型機器人主要滿足消費者在水中進行攝影、牌照、探險等娛樂性需求，類似于消費類無人機，如大疆無人機，滿足的是用戶航拍的需求。

產(chǎn)業(yè)型水下無人機主要應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，主要服務(wù)于軍事、海洋環(huán)境探測、海洋救援、海洋漁業(yè)、城市船舶河道等領(lǐng)域。

02水下機器人發(fā)展歷程

從1934年美國研制出下潛934米的載人潛水器到1953年研制出無人有纜遙控潛水器，接著是全世界各國對水下機器人的大力發(fā)展，到2013年，全世界大約共建造了5756臺各類水下機器人，其中作業(yè)級水下機器人914臺、觀察型機器人2656臺、AUV134臺、軍事服務(wù)型1733臺、其余調(diào)查型機器人319臺。

總結(jié)起來，水下機器人發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段:

第一階段：從1953年至1974年為第一階段，主要進行潛水器的研制和早期的開發(fā)工作。先后研制出20多艘潛水器，其中美國的CURV系統(tǒng)在西班牙海成功地回收一枚氫彈，引起世界各國的重視。美國海軍1956年研制出的CURV1號機器人在服役期間曾執(zhí)行數(shù)百次使命，其中包括從海底回收100多枚魚雷。

第二階段：1975至1985年是遙控潛水器大發(fā)展時期。海洋石油和天然氣開發(fā)的需要，推動了潛水器理論和應(yīng)用的研究，潛水器的數(shù)量和種類都有顯著地增長。載人潛水器和無人遙控潛水器(包括有纜遙控潛水器、水底爬行潛水器、拖航潛水器、無纜潛水器) 在海洋調(diào)查、海洋石油開發(fā)、救撈等方面發(fā)揮了較大的作用。

第三階段：1985年，潛水器又進入一個新的發(fā)展時期。80年代以來，中國也開展了水下機器人的研究和開發(fā)，研制出“海人”1 號(HR-1)水下機器人，成功地進行水下實驗。

我國的水下機器人研究是從立足軍事需求起步的。我國對于水下機器人的研究與開發(fā)起步較晚，從七十年代末才開始研究，相比于歐美國家和日本，我國一直處于落后水平。

七十年代末起，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和上海交通大學(xué)開始從事 ROV 的研究與開發(fā)工 作，合作研制了我國第一個 ROV“海人一號”ROV，“海人一號”是我國獨立自主研發(fā)的第一臺大型水下機器人。到目前軍用水下機器人已經(jīng)服役并正在形成系列，特別是 6000m 深水下機器人的問世，表明我國在此領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定成績。

03

水下機器人的關(guān)鍵技術(shù)

水下機器人是一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強的工程，涉及到的專業(yè)學(xué)科多達 幾十種，主要包括仿真、智能控制、水下目標探測與識別、水下導(dǎo)航(定位)、通訊、能源系統(tǒng)等六大技術(shù)。

仿真技術(shù)

由于水下機器人的工作區(qū)域是不可接近的海洋環(huán)境，其復(fù)雜性決定了真實硬件與軟件體系的研究和測試比較困難。為此在水下機器人的方案設(shè)計階段，要進行仿真技術(shù)研究，內(nèi)容為兩部分:

平臺運動仿真。按給定的技術(shù)指標和水下機器人的工作方式，設(shè)計機器人平臺外形并進行流體動力試驗，獲得仿真用的水動力參數(shù)。一旦建立運動數(shù)學(xué)模型、確定邊界條件后，就能用水動力參數(shù)和工況進行運動仿真，解算各種工況下平臺的動態(tài)響應(yīng)。如果根據(jù)技術(shù)指標評估出的平臺運動狀態(tài)與預(yù)期存在差異，則通過調(diào)整平臺尺寸、重心浮心等技術(shù)參數(shù)后再次仿真，直至滿足要求為止。

控制硬、軟件的仿真?？刂朴病④浖b入平臺前，先在實驗室內(nèi)對單機性能進行檢測，再對集成后的系統(tǒng)在仿真器上做陸地模擬仿真試驗，并評估仿真后的性能，來降低在水中對控制系統(tǒng)調(diào)試和檢測所產(chǎn)生的巨大風(fēng)險。內(nèi)容包括動密封、抗干擾、機電匹配、軟件調(diào)試。另外，上述所需的仿真器主要由模擬平臺、等效載荷、模擬通訊接口、仿真工作站等組成。

智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)旨在提高水下機器人的自主性 ，其體系結(jié)構(gòu)是人工智能技術(shù)、各種控制技術(shù)在內(nèi)的集成，相當于人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)。軟件體系是水下機器人總體集成和系統(tǒng)調(diào)度，直接影響智能水平，它涉及到基礎(chǔ)模塊的選取、模塊之間的關(guān)系、數(shù)據(jù)(信息)與控制流、通訊接口協(xié)議、全局性信息資源的管理及總體調(diào)度機構(gòu)。

水下目標探測和識別技術(shù)

目前，水下機器人用于水下目標探測與識別的設(shè)備有合成孔徑聲納、前視聲納和三維成像聲納等水聲設(shè)備。

合成孔徑聲納是用時間換空間的方法、以小孔徑獲取大孔徑聲基陣的合成孔徑聲納，非常適合尺度不大的水下機器人，可用于偵察、探測、高分辨率成像，大面積地形地貌測量等。

前視聲納組成的自主探測系統(tǒng)是指前視聲納的圖像采集和處理系統(tǒng)，在水下計算機網(wǎng)絡(luò)管理下自主采集和識別目標圖像信息，實現(xiàn)對目標的跟蹤和對水下機器人的引導(dǎo)。通過不斷的試錯，找出用于水下目標圖像特征提取和匹配的方法，建立數(shù)個目標數(shù)據(jù)庫。特別是在目標圖像像素點較少的情況下，較好的解決數(shù)個目標的分類和識別。系統(tǒng)對目標的探測結(jié)果，能提供目標與機器人的距離和方位，為水下機器人避碰與作業(yè)提供依據(jù)。

三維成像聲納，用于水下目標的識別，是一個全數(shù)字化、可編程、具有靈活性和易修改的模塊化系統(tǒng)?？梢垣@得水下目標的形狀信息，為水下目標識別提供了有利的工具。

水下導(dǎo)航(定位)技術(shù)

用于自主式水下機器人的導(dǎo)航系統(tǒng)有多種，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、重力導(dǎo)航系統(tǒng)、海底地形導(dǎo)航 系統(tǒng)、地磁場導(dǎo)航系統(tǒng)、引力導(dǎo)航系統(tǒng)、長基線、短基線和光纖陀螺與多普勒計程儀組成推算系統(tǒng)等，由于價格和技術(shù)等原因，目前被普遍看好的是光纖陀螺與多普勒計程儀組成推算系統(tǒng)，該系統(tǒng)無論從價格上、尺度上和精度上都能滿足水下機器人的使用要求，國內(nèi)外都在加大力度研制。

通訊技術(shù)

目前的通訊方式主要有光纖通訊、水聲通訊。

光纖通訊由光端機(水面)、水下光端機、光纜組成。其優(yōu)點是數(shù)據(jù)率高(100Mbit/s)， 很好的抗干擾能力。缺點是限制了水下機器人的工作距離和可操縱性，一般用于帶纜的 水下機器人。

水聲通訊由于聲波在水中的哀減慢，對于需要中遠距離通訊的水下機器人，水聲通訊是 唯一的、比較理想的一種方式。實現(xiàn)水聲通訊最主要的障礙是隨機多途干擾，要滿足較 大范圍和高數(shù)據(jù)率傳輸要求，需解決多項技術(shù)難關(guān)。

能源系統(tǒng)技術(shù)

水下機器人、特別是續(xù)航力大的自主航行水下機器人對能源系統(tǒng)的要求是體積小、重量輕 、能量密度高、多次反復(fù)使用、安全和低成本。目前的能源系統(tǒng)主要包括熱系統(tǒng)和電-化能源系統(tǒng)兩類。

熱系統(tǒng)是將能源轉(zhuǎn)換成水下機器人的熱能和機械能，包括封閉式循環(huán)、化學(xué)和核系統(tǒng)。其中由化學(xué)反應(yīng)(鉛酸電池、銀鋅電池、鋰電池)給水下機器人提供能源是現(xiàn)今一種比較實用的方法。

電-化能源系統(tǒng)是利用質(zhì)子交換膜燃料電池來滿足水下機器人的動力裝臵所需的性能。該電池的特點是能量密度大、高效產(chǎn)生電能，工作時熱量少，能快速啟動和關(guān)閉。但是該技術(shù)目前仍缺少合適的安靜泵、氣體管路布臵、散熱、固態(tài)電解液以及燃料和氧化劑的有效存儲手段。

水下機器人一旦突破技術(shù)瓶頸，進口替代空間廣闊。但是由于在探測技術(shù)、工藝水平、綜合顯控、綜合導(dǎo)航與定位等技術(shù)上存在的差距較大，致使國產(chǎn)水下機器人的實際應(yīng)用受到限制，目前國內(nèi)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用客戶許多是購買或租借國外現(xiàn)有產(chǎn)品，不僅價格高、配套服務(wù)難， 而且有些產(chǎn)品并不適合中國海區(qū)的使用特點，機動性、抗流能力及作業(yè)能力都顯不足。

04國內(nèi)主要公司

格物資本對水下機器人行業(yè)公司進行了盤點。目前，國內(nèi)圍繞水下機器人的創(chuàng)業(yè)公司總數(shù)不超過100家，絕大多數(shù)公司比較傳統(tǒng)，僅有20家左右的公司獲得融資。

消費級水下機器人：值得關(guān)注的公司有吉影創(chuàng)新、博雅工道、鰭源科技、潛行科技、約肯機器人等。但目前消費級水下機器人出貨量還很少，格物資本通過京東、天貓等電商平臺搜索發(fā)現(xiàn)，上述品牌均無評論，僅臻迪水下無人機所有型號共計不到100個評論。我們認為，水下機器人的消費興趣還沒形成，市場還需進一步培育。

產(chǎn)業(yè)型水下機器人：深之藍、博雅工道、查派智能、鰭源科技等公司值得關(guān)注。

其中深之藍累計完成了泰達投資/GGV/源星資本/朗瑪峰/洪泰基金/索道投資/盛景嘉成投資等十余家投資機構(gòu)超過4億的融資，目前產(chǎn)品在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，應(yīng)用于打撈救援、水產(chǎn)養(yǎng)殖、科考等領(lǐng)域。

此外，還有一家公司云洲科技值得關(guān)注，盡管該公司生產(chǎn)的主要產(chǎn)品為無人船，水下機器人僅為附屬產(chǎn)品，但該公司在無人船領(lǐng)域技術(shù)十分先進，曾多次獲得國家環(huán)保部的認可和贊揚，應(yīng)用在很多次救援及科考行動中。該公司也獲得了GGV/芳晟基金/真格基金/珠?？萍紕?chuàng)投等多家機構(gòu)的數(shù)億元投資。

水下機器人創(chuàng)業(yè)公司統(tǒng)計整理：