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水下机器人行业初步研究

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    [LV.7]常住居民III

    发表于 2019-1-27 21:32:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
    水下机器人行业初步研究

    水下机器人从20世纪后半叶诞生,是工作于水下的极限作业机器人,能潜入水中代替人完成某些操作,主要运用在海上救援、水中考察、探险及娱乐等。由于水下环境恶劣危险,人的潜水深度有限,所以水下机器人日益成为开发海洋的重要工具。

    水下机器人分类

    广义上水下机器人也可以称作潜水器(Underwater Vehicles),是一种可以在水下代替人在充满未知和挑战的海洋环境中完成某种任务的装备。由于风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重,使得水下机器人的通信和导航定位十分困难,这也是它与陆地机器人最大的不同,也是目前阻碍水下机器人发展的主要因素。

    就外形看,目前大部分水下机器人是框架式或类似于潜艇的回转细长体,随着仿生技术的不断发展,仿鱼类形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。


    从种类上看,根据是否载人可以将潜水器分为载人潜水器和无人潜水器。

    载人潜水器由人工输入信号操控各种动作,由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境。 其优点是由人工亲自做出各种核心决策,便于处理各种复杂问题,但是人生命安全的危险性增大,由于载人需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系统,这将为潜水器带来体积庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限等不利因素。

    狭义上的水下机器人是指无人潜水器。无人潜水器按照与水面支持系统间联系方式的不同可以分为有缆遥控水下机器人(remotely operated vehicle,简称 ROV)、无缆水下机器人 (autonomous underwater vehicle,简称 AUV))两种。

    有缆水下机器人

    有缆水下机器人都是遥控式的,根据运动方式不同可分为拖曳式、(海底)移动式和浮游(自航)式三种。
    有缆水下机器人(ROV)需要由电缆从母船接受动力,并且 ROV 不是完全自主的,它需要人为的干预。主要由水面设备(包括操纵控制台、电缆绞车、吊 放设备 、供电系统等)和水下设备(包括中继器和潜水器本体)组成。潜水器本 体在水下靠推进器运动,本体上装有观测设备(摄像机、照相机、照明灯等)和作业设备(机械手、切割器、清洗器等)。潜水器的水下运动和作业,是由操作员在水面母舰上控制和监视,电缆向本体提供动力和交换信息,中继器可减少电缆对本体运动的干扰。由于人们通过电缆对ROV进行遥控操作,电缆对ROV像“脐带”对于胎儿一样至关重要,但是由于细长的电缆悬在海中成为 ROV最脆弱的部分,大大限制了机器人的活动范围和工作效率。

    无缆水下机器人

    无缆水下机器人一般是自治式机器人,它能够依靠本身的自主决策和控制能力高效率地完成预定任务,在一定程度上代表了目前水下机器人的发展趋势。
    无缆水下机器人(AUV)又称智能水下机器人,是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一水下载体上,在没有人工实时控制的情况下,自主决策、控制完成复杂海洋环境中的预定任务使命的机器人。它能对观测信息进行加工,建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令,并接受经计算机加工处理的信息,对潜水器的运行和动作过程进行监视并排除故障。操作人员仅下达总任务,机器人就能根据识别和分析环境,自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。

    从应用场景来看,水下机器人可以分为消费类水下机器人或产业型水下机器人。

    消费型机器人主要满足消费者在水中进行摄影、牌照、探险等娱乐性需求,类似于消费类无人机,如大疆无人机,满足的是用户航拍的需求。

    产业型水下无人机主要应用于商业领域,主要服务于军事、海洋环境探测、海洋救援、海洋渔业、城市船舶河道等领域。


    水下机器人发展历程

    从1934年美国研制出下潜934米的载人潜水器到1953年研制出无人有缆遥控潜水器,接着是全世界各国对水下机器人的大力发展,到2013年,全世界大约共建造了5756台各类水下机器人,其中作业级水下机器人914台、观察型机器人2656台、AUV134台、军事服务型1733台、其余调查型机器人319台。

    总结起来,水下机器人发展大致经历了三个阶段:

    第一阶段:从1953年至1974年为第一阶段,主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器,其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹,引起世界各国的重视。美国海军1956年研制出的CURV1号机器人在服役期间曾执行数百次使命,其中包括从海底回收100多枚鱼雷。

    第二阶段:1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。海洋石油和天然气开发的需要,推动了潜水器理论和应用的研究,潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器(包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器) 在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。

    第三阶段:1985年,潜水器又进入一个新的发展时期。80年代以来,中国也开展了水下机器人的研究和开发,研制出“海人”1 号(HR-1)水下机器人,成功地进行水下实验。

    我国的水下机器人研究是从立足军事需求起步的。我国对于水下机器人的研究与开发起步较晚,从七十年代末才开始研究,相比于欧美国家和日本,我国一直处于落后水平。

    七十年代末起,中国科学院沈阳自动化研究所和上海交通大学开始从事 ROV 的研究与开发工 作,合作研制了我国第一个 ROV“海人一号”ROV,“海人一号”是我国独立自主研发的第一台大型水下机器人。到目前军用水下机器人已经服役并正在形成系列,特别是 6000m 深水下机器人的问世,表明我国在此领域已经取得了一定成绩。

    水下机器人的关键技术


    水下机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程,涉及到的专业学科多达 几十种,主要包括仿真、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航(定位)、通讯、能源系统等六大技术。

    仿真技术

    由于水下机器人的工作区域是不可接近的海洋环境,其复杂性决定了真实硬件与软件体系的研究和测试比较困难。为此在水下机器人的方案设计阶段,要进行仿真技术研究,内容为两部分:

    平台运动仿真。按给定的技术指标和水下机器人的工作方式,设计机器人平台外形并进行流体动力试验,获得仿真用的水动力参数。一旦建立运动数学模型、确定边界条件后,就能用水动力参数和工况进行运动仿真,解算各种工况下平台的动态响应。如果根据技术指标评估出的平台运动状态与预期存在差异,则通过调整平台尺寸、重心浮心等技术参数后再次仿真,直至满足要求为止。

    控制硬、软件的仿真。控制硬、软件装入平台前,先在实验室内对单机性能进行检测,再对集成后的系统在仿真器上做陆地模拟仿真试验,并评估仿真后的性能,来降低在水中对控制系统调试和检测所产生的巨大风险。内容包括动密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。另外,上述所需的仿真器主要由模拟平台、等效载荷、模拟通讯接口、仿真工作站等组成。


    智能控制技术

    智能控制技术旨在提高水下机器人的自主性 ,其体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成,相当于人的大脑和神经系统。软件体系是水下机器人总体集成和系统调度,直接影响智能水平,它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据(信息)与控制流、通讯接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。

    水下目标探测和识别技术

    目前,水下机器人用于水下目标探测与识别的设备有合成孔径声纳、前视声纳和三维成像声纳等水声设备。

    合成孔径声纳是用时间换空间的方法、以小孔径获取大孔径声基阵的合成孔径声纳,非常适合尺度不大的水下机器人,可用于侦察、探测、高分辨率成像,大面积地形地貌测量等。

    前视声纳组成的自主探测系统是指前视声纳的图像采集和处理系统,在水下计算机网络管理下自主采集和识别目标图像信息,实现对目标的跟踪和对水下机器人的引导。通过不断的试错,找出用于水下目标图像特征提取和匹配的方法,建立数个目标数据库。特别是在目标图像像素点较少的情况下,较好的解决数个目标的分类和识别。系统对目标的探测结果,能提供目标与机器人的距离和方位,为水下机器人避碰与作业提供依据。

    三维成像声纳,用于水下目标的识别,是一个全数字化、可编程、具有灵活性和易修改的模块化系统。可以获得水下目标的形状信息,为水下目标识别提供了有利的工具。

    水下导航(定位)技术

    用于自主式水下机器人的导航系统有多种,如惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航 系统、地磁场导航系统、引力导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统等,由于价格和技术等原因,目前被普遍看好的是光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统,该系统无论从价格上、尺度上和精度上都能满足水下机器人的使用要求,国内外都在加大力度研制。

    通讯技术

    目前的通讯方式主要有光纤通讯、水声通讯。

    光纤通讯由光端机(水面)、水下光端机、光缆组成。其优点是数据率高(100Mbit/s), 很好的抗干扰能力。缺点是限制了水下机器人的工作距离和可操纵性,一般用于带缆的 水下机器人。

    水声通讯由于声波在水中的哀减慢,对于需要中远距离通讯的水下机器人,水声通讯是 唯一的、比较理想的一种方式。实现水声通讯最主要的障碍是随机多途干扰,要满足较 大范围和高数据率传输要求,需解决多项技术难关。

    能源系统技术

    水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人对能源系统的要求是体积小、重量轻 、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本。目前的能源系统主要包括热系统和电-化能源系统两类。

    热系统是将能源转换成水下机器人的热能和机械能,包括封闭式循环、化学和核系统。其中由化学反应(铅酸电池、银锌电池、锂电池)给水下机器人提供能源是现今一种比较实用的方法。

    电-化能源系统是利用质子交换膜燃料电池来满足水下机器人的动力装臵所需的性能。该电池的特点是能量密度大、高效产生电能,工作时热量少,能快速启动和关闭。但是该技术目前仍缺少合适的安静泵、气体管路布臵、散热、固态电解液以及燃料和氧化剂的有效存储手段。

    水下机器人一旦突破技术瓶颈,进口替代空间广阔。但是由于在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航与定位等技术上存在的差距较大,致使国产水下机器人的实际应用受到限制,目前国内在不同领域的应用客户许多是购买或租借国外现有产品,不仅价格高、配套服务难, 而且有些产品并不适合中国海区的使用特点,机动性、抗流能力及作业能力都显不足。

    国内主要公司

    格物资本对水下机器人行业公司进行了盘点。目前,国内围绕水下机器人的创业公司总数不超过100家,绝大多数公司比较传统,仅有20家左右的公司获得融资。

    消费级水下机器人:值得关注的公司有吉影创新、博雅工道、鳍源科技、潜行科技、约肯机器人等。但目前消费级水下机器人出货量还很少,格物资本通过京东、天猫等电商平台搜索发现,上述品牌均无评论,仅臻迪水下无人机所有型号共计不到100个评论。我们认为,水下机器人的消费兴趣还没形成,市场还需进一步培育。

    产业型水下机器人:深之蓝、博雅工道、查派智能、鳍源科技等公司值得关注。

    其中深之蓝累计完成了泰达投资/GGV/源星资本/朗玛峰/洪泰基金/索道投资/盛景嘉成投资等十余家投资机构超过4亿的融资,目前产品在国内处于领先地位,应用于打捞救援、水产养殖、科考等领域。

    此外,还有一家公司云洲科技值得关注,尽管该公司生产的主要产品为无人船,水下机器人仅为附属产品,但该公司在无人船领域技术十分先进,曾多次获得国家环保部的认可和赞扬,应用在很多次救援及科考行动中。该公司也获得了GGV/芳晟基金/真格基金/珠海科技创投等多家机构的数亿元投资。

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