2018年AIOT產(chǎn)業(yè)藍(lán)皮書(shū)已正式發(fā)布

水下機(jī)器人行業(yè)初步研究

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

01水下機(jī)器人分類(lèi)

廣義上水下機(jī)器人也可以稱(chēng)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(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和控制干擾嚴(yán)重，使得水下機(jī)器人的通信和導(dǎo)航定位十分困難，這也是它與陸地機(jī)器人最大的不同，也是目前阻礙水下機(jī)器人發(fā)展的主要因素。

就外形看，目前大部分水下機(jī)器人是框架式或類(lèi)似于潛艇的回轉(zhuǎn)細(xì)長(zhǎng)體，隨著仿生技術(shù)的不斷發(fā)展，仿魚(yú)類(lèi)形態(tài)甚至是運(yùn)動(dòng)方式的水下機(jī)器人將會(huì)不斷發(fā)展。

從種類(lèi)上看，根據(jù)是否載人可以將潛水器分為載人潛水器和無(wú)人潛水器

載人潛水器由人工輸入信號(hào)操控各種動(dòng)作，由潛水員和科學(xué)家通過(guò)觀察窗直接觀察外部環(huán)境。 其優(yōu)點(diǎn)是由人工親自做出各種核心決策，便于處理各種復(fù) 雜問(wèn)題，但是人生命安全的危險(xiǎn)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(lái)體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高昂、工作環(huán)境受限等不利因素。

狹義上的水下機(jī)器人是指無(wú)人潛水器。無(wú)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(jī)器人(remotely operated vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng) ROV)、無(wú)纜水下機(jī)器人 (autonomous underwater vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng) AUV))兩種。

有纜水下機(jī)器人

有纜水下機(jī)器人都是遙控式的，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式不同可分為拖曳式、(海底)移動(dòng)式和浮游(自航)式三種。

有纜水下機(jī)器人(ROV)需要由電纜從母船接受動(dòng)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(tái)、電纜絞車(chē)、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(jìn)器運(yùn)動(dòng)，本體上裝有觀測(cè)設(shè)備(攝像機(jī)、照相機(jī)、照明燈等)和作業(yè)設(shè)備(機(jī)械手、切割器、清洗器等)。潛水器的水下運(yùn)動(dòng)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(dòng)力和交換信息，中繼器可減少電纜對(duì)本體運(yùn)動(dòng)的干擾。由于人們通過(guò)電纜對(duì)ROV進(jìn)行遙控操作，電纜對(duì)ROV像“臍帶”對(duì)于胎兒一樣至關(guān)重要，但是由于細(xì)長(zhǎng)的電纜懸在海中成為 ROV最脆弱的部分，大大限制了機(jī)器人的活動(dòng)范圍和工作效率。

無(wú)纜水下機(jī)器人

無(wú)纜水下機(jī)器人一般是自治式機(jī)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(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。

無(wú)纜水下機(jī)器人(AUV)又稱(chēng)智能水下機(jī)器人，是將人工智能、探測(cè)識(shí)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(méi)有人工實(shí)時(shí)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(jī)器人。它能對(duì)觀測(cè)信息進(jìn)行加工，建立環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)模型。操作人員通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)以面向過(guò)程的抽象符號(hào)或語(yǔ)言下達(dá)命令，并接受經(jīng)計(jì)算機(jī)加工處理的信息，對(duì)潛水器的運(yùn)行和動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視并排除故障。操作人員僅下達(dá)總?cè)蝿?wù)，機(jī)器人就能根據(jù)識(shí)別和分析環(huán)境，自動(dòng)規(guī)劃行動(dòng)、回避障礙、自主地完成指定任務(wù)。

從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，水下機(jī)器人可以分為消費(fèi)類(lèi)水下機(jī)器人或產(chǎn)業(yè)型水下機(jī)器人

消費(fèi)型機(jī)器人主要滿足消費(fèi)者在水中進(jìn)行攝影、牌照、探險(xiǎn)等娛樂(lè)性需求，類(lèi)似于消費(fèi)類(lèi)無(wú)人機(jī)，如大疆無(wú)人機(jī)，滿足的是用戶航拍的需求。

產(chǎn)業(yè)型水下無(wú)人機(jī)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(cè)、海洋救援、海洋漁業(yè)、城市船舶河道等領(lǐng)域。

02水下機(jī)器人發(fā)展歷程

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

總結(jié)起來(lái)，水下機(jī)器人發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段:

第一階段：從1953年至1974年為第一階段，主要進(jìn)行潛水器的研制和早期的開(kāi)發(fā)工作。先后研制出20多艘潛水器，其中美國(guó)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(guó)的重視。美國(guó)海軍1956年研制出的CURV1號(hào)機(jī)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(yú)雷。

第二階段：1975至1985年是遙控潛水器大發(fā)展時(shí)期。海洋石油和天然氣開(kāi)發(fā)的需要，推動(dòng)了潛水器理論和應(yīng)用的研究，潛水器的數(shù)量和種類(lèi)都有顯著地增長(zhǎng)。載人潛水器和無(wú)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(wú)纜潛水器) 在海洋調(diào)查、海洋石油開(kāi)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(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。80年代以來(lái)，中國(guó)也開(kāi)展了水下機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)，研制出“海人”1 號(hào)(HR-1)水下機(jī)器人，成功地進(jìn)行水下實(shí)驗(yàn)。

我國(guó)的水下機(jī)器人研究是從立足軍事需求起步的。我國(guó)對(duì)于水下機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)起步較晚，從七十年代末才開(kāi)始研究，相比于歐美國(guó)家和日本，我國(guó)一直處于落后水平。

七十年代末起，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和上海交通大學(xué)開(kāi)始從事 ROV 的研究與開(kāi)發(fā)工 作，合作研制了我國(guó)第一個(gè) ROV“海人一號(hào)”ROV，“海人一號(hào)”是我國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)的第一臺(tái)大型水下機(jī)器人。到目前軍用水下機(jī)器人已經(jīng)服役并正在形成系列，特別是 6000m 深水下機(jī)器人的問(wèn)世，表明我國(guó)在此領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定成績(jī)。

03

水下機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

水下機(jī)器人是一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強(qiáng)的工程，涉及到的專(zhuān)業(yè)學(xué)科多達(dá) 幾十種，主要包括仿真、智能控制、水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)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(jī)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(shí)硬件與軟件體系的研究和測(cè)試比較困難。為此在水下機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)階段，要進(jìn)行仿真技術(shù)研究，內(nèi)容為兩部分:

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真。按給定的技術(shù)指標(biāo)和水下機(jī)器人的工作方式，設(shè)計(jì)機(jī)器人平臺(tái)外形并進(jìn)行流體動(dòng)力試驗(yàn)，獲得仿真用的水動(dòng)力參數(shù)。一旦建立運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、確定邊界條件后，就能用水動(dòng)力參數(shù)和工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，解算各種工況下平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。如果根據(jù)技術(shù)指標(biāo)評(píng)估出的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與預(yù)期存在差異，則通過(guò)調(diào)整平臺(tái)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(tái)前，先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)單機(jī)性能進(jìn)行檢測(cè)，再對(duì)集成后的系統(tǒng)在仿真器上做陸地模擬仿真試驗(yàn)，并評(píng)估仿真后的性能，來(lái)降低在水中對(duì)控制系統(tǒng)調(diào)試和檢測(cè)所產(chǎn)生的巨大風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)容包括動(dòng)密封、抗干擾、機(jī)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(tái)、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(jī)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(dāng)于人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)。軟件體系是水下機(jī)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(jī)構(gòu)。

水下目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別技術(shù)

目前，水下機(jī)器人用于水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)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(shí)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(jī)器人，可用于偵察、探測(cè)、高分辨率成像，大面積地形地貌測(cè)量等。

前視聲納組成的自主探測(cè)系統(tǒng)是指前視聲納的圖像采集和處理系統(tǒng)，在水下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理下自主采集和識(shí)別目標(biāo)圖像信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤和對(duì)水下機(jī)器人的引導(dǎo)。通過(guò)不斷的試錯(cuò)，找出用于水下目標(biāo)圖像特征提取和匹配的方法，建立數(shù)個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。特別是在目標(biāo)圖像像素點(diǎn)較少的情況下，較好的解決數(shù)個(gè)目標(biāo)的分類(lèi)和識(shí)別。系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)結(jié)果，能提供目標(biāo)與機(jī)器人的距離和方位，為水下機(jī)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(biāo)的識(shí)別，是一個(gè)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(biāo)的形狀信息，為水下目標(biāo)識(shí)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(jī)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(chǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)、引力導(dǎo)航系統(tǒng)、長(zhǎng)基線、短基線和光纖陀螺與多普勒計(jì)程儀組成推算系統(tǒng)等，由于價(jià)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(jì)程儀組成推算系統(tǒng)，該系統(tǒng)無(wú)論從價(jià)格上、尺度上和精度上都能滿足水下機(jī)器人的使用要求，國(guó)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(jī)(水面)、水下光端機(jī)、光纜組成。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)率高(100Mbit/s)， 很好的抗干擾能力。缺點(diǎn)是限制了水下機(jī)器人的工作距離和可操縱性，一般用于帶纜的 水下機(jī)器人。

水聲通訊由于聲波在水中的哀減慢，對(duì)于需要中遠(yuǎn)距離通訊的水下機(jī)器人，水聲通訊是 唯一的、比較理想的一種方式。實(shí)現(xiàn)水聲通訊最主要的障礙是隨機(jī)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(xiàng)技術(shù)難關(guān)。

能源系統(tǒng)技術(shù)

水下機(jī)器人、特別是續(xù)航力大的自主航行水下機(jī)器人對(duì)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(lèi)。

熱系統(tǒng)是將能源轉(zhuǎn)換成水下機(jī)器人的熱能和機(jī)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(jī)器人提供能源是現(xiàn)今一種比較實(shí)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(lái)滿足水下機(jī)器人的動(dòng)力裝臵所需的性能。該電池的特點(diǎn)是能量密度大、高效產(chǎn)生電能，工作時(shí)熱量少，能快速啟動(dòng)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(chǔ)手段。

水下機(jī)器人一旦突破技術(shù)瓶頸，進(jìn)口替代空間廣闊。但是由于在探測(cè)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(guó)產(chǎn)水下機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用受到限制，目前國(guó)內(nèi)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用客戶許多是購(gòu)買(mǎi)或租借國(guó)外現(xiàn)有產(chǎn)品，不僅價(jià)格高、配套服務(wù)難， 而且有些產(chǎn)品并不適合中國(guó)海區(qū)的使用特點(diǎn)，機(jī)動(dòng)性、抗流能力及作業(yè)能力都顯不足。

04國(guó)內(nèi)主要公司

格物資本對(duì)水下機(jī)器人行業(yè)公司進(jìn)行了盤(pán)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)圍繞水下機(jī)器人的創(chuàng)業(yè)公司總數(shù)不超過(guò)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(fèi)級(jí)水下機(jī)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(jī)器人等。但目前消費(fèi)級(jí)水下機(jī)器人出貨量還很少，格物資本通過(guò)京東、天貓等電商平臺(tái)搜索發(fā)現(xiàn)，上述品牌均無(wú)評(píng)論，僅臻迪水下無(wú)人機(jī)所有型號(hào)共計(jì)不到100個(gè)評(píng)論。我們認(rèn)為，水下機(jī)器人的消費(fèi)興趣還沒(méi)形成，市場(chǎng)還需進(jìn)一步培育。

產(chǎn)業(yè)型水下機(jī)器人：深之藍(lán)、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(lán)累計(jì)完成了泰達(dá)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(jī)構(gòu)超過(guò)4億的融資，目前產(chǎn)品在國(guó)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(wú)人船，水下機(jī)器人僅為附屬產(chǎn)品，但該公司在無(wú)人船領(lǐng)域技術(shù)十分先進(jìn)，曾多次獲得國(guó)家環(huán)保部的認(rèn)可和贊揚(yáng)，應(yīng)用在很多次救援及科考行動(dòng)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(jī)構(gòu)的數(shù)億元投資。

水下機(jī)器人創(chuàng)業(yè)公司統(tǒng)計(jì)整理：