小型民用AUV用途与研究

小型民用AUV在科研和商业上的用途及有价值的研究方向

执行摘要

小型民用自主水下航行器（AUV）代表着水下探索和作业领域的颠覆性飞跃。它们紧凑的尺寸、成本效益和自主能力，正在使过去难以进入或成本高昂的海洋环境变得触手可及。这些载具在各种科学研究领域和新兴商业部门中变得越来越不可或缺。从详细的海底测绘和环境监测，到关键基础设施检查和可持续水产养殖管理，小型AUV正在提高效率、降低风险并提供前所未有的数据分辨率。AUV的发展轨迹指向增强的自主性、通过创新能源解决方案实现更长的续航能力、更强大的通信网络以及协同集群机器人的兴起。这些进步有望解锁更复杂的任务，并显著扩展其作业范围。尽管功耗限制、在无全球导航卫星系统（GNSS）环境中的导航精度以及复杂的水下动力学仍然是挑战，但正在进行的研究和技术融合，特别是与人工智能（AI）和先进传感器融合的结合，为克服这些挑战和促进市场大幅增长提供了清晰的途径。

1. 小型民用AUV概述

本节将定义和描述小型民用AUV，突出其独特特征以及相较于传统水下作业方法所具备的优势。

1.1 定义与分类

小型AUV通常以其紧凑的尺寸、便携性以及有限的有效载荷能力为特征。根据不同研究团队的划分方法，微小型AUV通常具有以下特性：排水量或空气中重量通常不大于50千克力（kgf）；可搭载负载通常不大于7千克；若其主体为回转体，则主体直径通常不大于200毫米 1。部分微小型AUV的整体尺寸符合声呐浮标A型尺寸标准，即长度不大于914.4毫米，直径不大于123.875毫米 1。符合此标准的AUV可用于空投和鱼雷管发射，对于实现水下目标探测和海洋环境观测的快速部署具有重要意义 1。

这些载具通常可由一个成年人轻松提起和搬运，重量不大于50千克力，符合A型尺寸标准的重量不大于17.69千克力，这使得其在船上进行布放、回收、维护和装箱等作业极为便利 1。在功耗方面，微小型AUV通常依靠12伏或24伏直流电源驱动，平均功率通常不大于100瓦，因为其内部空间有限，搭载的电机和传感器功率普遍不大 1。成本是小型AUV的另一显著优势，通常仅为1万至1.5万美元，远低于更高级别AUV的成本，使其适合批量生产 1。美国海军对“便携式”AUV（与小型AUV相符）的分类是11-45千克，续航时间10-20小时；而“小型AUV”（直径76-254毫米）则可由单人携带或从各种平台部署 2。

根据结构特征，小型AUV可分为三类：回转体类、箭体类和多体类 1。回转体类AUV主体呈回转体形，艉部配备单一推进器，典型代表包括REMUS M3V、ecoSUBμ5、NemoSens、Iver3、探索100、无影和云帆 1。箭体类AUV通常具有更复杂、非回转体的外形，例如VERTEX、MONSUN、COTSbot、Sparus II、SwarmDiver、SHAD和HippoCampus 3。多体类微小型AUV则能够利用自身优势独立执行任务，也可通过多个单体AUV组合形成更大规模的系统，执行更复杂的任务，单体之间的空间还可用于布置科学载荷。这种组合机器人具有稳定性强的特点，在强流环境中作业具有优势 1。

表1：典型小型民用AUV特征

特征	数值范围/典型值	来源
排水量/空气中重量	通常不大于50 kgf	1
可搭载负载	通常不大于7 kg	1
主体直径 (回转体)	通常不大于200 mm	1
A型尺寸长度	不大于914.4 mm	1
A型尺寸直径	不大于123.875 mm	1
A型尺寸重量	不大于17.69 kgf	1
平均功耗	通常不大于100 W	1
成本	1万-1.5万美元	1
典型续航力 (便携级)	10-20小时	2
最大深度	可达6000米 (部分大型AUV)	4

1.2 相较于传统方法的优势

小型AUV相较于传统水下作业方法展现出显著优势。首先是其自主性。AUV能够根据预先编程的指令或实时输入独立运行，无需人类操作员的实时输入或指导 6。这与遥控水下机器人（ROV）形成鲜明对比，ROV通过缆绳与服务船连接，需要操作员实时控制 6。这种自主性意味着AUV可以覆盖更广阔的距离 7。

其次是可达性和安全性。AUV能够到达船只无法进入的浅水区，以及人类潜水员或许多有缆载具无法到达的深水区 4。一旦部署到水下，它们不受恶劣天气影响，并能长时间停留在水下 6。通过将人类从危险环境中移除，AUV显著降低了作业风险，例如在深海作业中克服人类潜水员面临的水压等困难，从而提高了安全性 9。

在成本效益和效率方面，AUV的优势也十分突出。它们比研究船只更经济，并且能够完成相同的重复性测量任务 6。AUV收集数据的速度更快，并且比传统船只能够更长时间地停留在海上 4。其较低的成本（通常为1万至1.5万美元）和单人即可轻松部署的特性 1显著降低了运营成本，对于检查任务而言，相较于潜水员或ROV，成本可降低高达75% 11。

此外，AUV还具有可扩展性和模块化的特点，科学家可以根据研究目标选择搭载各种传感器 6。这种模块化设计使得AUV具备了多功能任务能力 12。AUV能够收集高分辨率数据，并将数据存储在车载计算机中，任务结束后进行检索 6。

小型AUV的低成本和高便携性显著降低了水下研究和商业作业的门槛。这种可负担性和易于部署的特性，使得小型研究机构、私营公司乃至个人用户也能够进入并从海洋环境中收集数据，而这在过去通常是资金雄厚的政府机构或大型企业的专属领域。这种“海洋数据民主化”加速了科学发现，并通过允许更频繁和本地化的调查来促进商业应用中的创新。

AUV无需人类实时干预即可独立运行，与需要缆绳连接和持续人工控制的ROV形成对比。这种差异标志着水下任务构思和执行方式的根本性转变。重点从直接的人工干预（潜水员、ROV操作员）转向任务规划、数据分析和自主系统管理。这不仅通过将人类从危险环境中移除而提高了安全性，还使得在人类无法存在或不切实际的条件下（例如，强流、深水、长时间作业）进行操作成为可能。这也预示着未来人类的角色将从直接控制演变为监督和分析功能，需要不同的技能组合。

小型AUV能够符合声呐浮标A型尺寸标准，并可从多种平台（包括大型AUV或潜艇）部署，这为多层、协同任务开辟了新的可能性。这种小型化是实现高效集群机器人技术的先决条件，即众多小型AUV可以协同工作，以比单个大型AUV更有效和更强大的方式覆盖更广阔的区域或执行复杂的分布式任务 1。这预示着未来AUV将不仅仅是独立的工具，而是更大型、互联的自主海洋网络中的集成组件。

2. 科学研究中的应用

小型民用AUV通过在多样化的水下环境中实现前所未有的数据收集，正在彻底改变海洋科学研究。

2.1 海洋学与环境监测

AUV在海洋科学研究中发挥着关键作用，能够进行连续、长期和多维度的海洋环境观测 16。它们可以进行定点或走航式观测，对水体进行剖面或断面的连续观测，突破了水体对遥感观测手段的限制，从而获得高分辨率的海洋环境观测数据 16。

AUV能够搭载各种传感器，例如用于测量电导率、温度和深度的CTD传感器；用于测量水流剖面的ADCP；以及溶解氧、叶绿素、pH值、浊度、硝酸盐和氨气传感器 3。这使得AUV能够收集物理、生物光学和化学性质的综合数据。在具体应用方面，AUV可用于监测水质和水文，包括温度、盐度、海流、内波、声道、温跃层和密度场等关键环境参数 16。例如，ecoSUBμ5和ALAUV专门搭载CTD传感器用于海洋环境观测 3。NemoSens则可搭载CTD、溶解氧传感器、浊度计和碳氢化合物传感器进行声学监测 3。AUV在气候变化研究中也扮演重要角色，通过收集受气候变化影响的海洋过程数据，为相关研究提供支撑。此外，AUV还可用于快速环境评估（REA），以快速评估各种目的的环境条件 12。滑翔机作为一种特殊类型的AUV，利用浮力推进在海洋中航行，可以进行长达3个月的任务，覆盖1800公里，收集物理、生物光学和化学性质的数据，这突显了其在持续观测方面的能源效率 4。

2.2 海洋生物学与生态学

AUV被广泛应用于海洋生物学和生态学领域，例如长期监测珊瑚礁健康状况、评估幼年珊瑚生长以及监测海草草甸 11。Sparus II AUV，搭载Voyis Recon LS AUV有效载荷，已被用于监测海草健康 18。Teledyne Gavia AUV配备Voyis Recon相机和灯条，可对珊瑚健康状况和环境条件进行高分辨率成像 18。

AUV能够利用声呐和摄像系统识别和追踪生物活动 8。它们可以深入到人类无法亲自到达的更远、更深的水域，观察更丰富的海洋生物和深海景观，并且在近距离观察时，对水下生物的干扰最小，从而提高了科学研究的真实性和严谨性 9。例如，ROV（以及具有类似传感器能力的AUV）结合声呐探测技术，已被用于探测水母的泳动姿态和速率，以计算其在水体剖面中的通量，为水母监测提供了技术支持 16。

2.3 海底测绘、地质调查与资源勘探

AUV利用声呐传感器绘制详细的海底地图 6。REMUS 600 AUV就是用于海底测绘的典型设备 6。NemoSens和Sparus II也常用于海底地形测绘 3。AUV还可进行海底地质勘探，包括微地形地貌的精细探测和底质判断 20。“潜龙一号”作为中国早期自主研制的AUV，其强大的探测功能包括海底微地形地貌精细探测、底质判断和海底水文参数测量等任务 22。

在资源勘探方面，AUV被用于海洋资源勘探，包括多金属硫化物等深海矿产资源以及油气田的勘探 5。“潜龙二号”AUV采用非回转体立扁鱼形设计，已多次成功完成多金属硫化物等深海矿产资源的水下勘探作业 9。

2.4 水下考古与文化遗产记录

小型AUV，特别是那些具备先进成像能力的载具，正成为水下考古测绘的强大工具 25。它们能够捕获高分辨率图像并生成局部调查区域的3D模型 11。这些紧凑、用户友好的无人机使得水下考古遗址更易于访问，减少了对人类潜水员的需求，从而提高了安全性 25。

例如，微型悬停AUV Hydrus，即使在低光照和浑浊条件下也能通过4K摄像头、动态照明和AI图像处理生成令人惊叹的图像。它能够通过结合图像、声呐和导航数据创建3D RGB点云 11。这种能力对于详细的遗址记录和重建具有变革性意义，类似于航空无人机摄影测量在陆地文化遗产领域的应用 25。其应用包括记录沉船、探索地质构造 6以及更广泛的水下文化遗产地 11。

传统方法通常提供离散的数据点或有限的视觉调查。AUV则能够进行“连续、长期、多维度观测” 16，“连续剖面或断面观测” 16，并获取“高分辨率数据” 8。水下滑翔机甚至可以运行数月之久 4。这种从零星、低分辨率数据向连续、高分辨率、长时间数据采集的转变，从根本上改变了我们对动态海洋过程的理解。它使科学家能够追踪细微的环境变化，观察生物行为随时间的变化，并创建更准确、更详细的地图，从而对海洋生态系统、气候模式和地质构造产生更深入的科学认识。这对于预测模型和知情的保护策略至关重要。

AUV能够在“不干扰水下生物的情况下近距离观察” 9，并用于“长期追踪珊瑚礁健康、评估幼年珊瑚生长和监测海草草甸” 11。这种无需人类存在或物理缆绳连接即可进行观测的能力，最大限度地减少了对敏感海洋生态系统和野生动物的干扰。这带来了更真实、更可靠的生态数据，对于理解自然行为、种群动态以及环境压力的影响至关重要。它还允许随时间进行重复调查，为保护工作和评估海洋保护区的有效性提供关键的基线和监测能力。

小型AUV被描述为“低成本但功能强大”的考古测绘工具 25，并“减少了对人类潜水员的需求” 25。它们可以生成“令人惊叹的图像”和“3D RGB点云” 11。这项技术正在使水下考古大众化，使以前无法进入或成本过高的遗址得以研究。AUV生成的高分辨率3D模型可以对水下文化遗产进行详细、可测量的记录，从而实现以前不可能或极其困难的异地分析和保护工作。这使得该领域从依赖有限的人类潜水时间转变为利用持久、精确的数字捕获，为研究、公众参与和遗产管理开辟了新途径。

3. 商业领域的应用

除了科学探索，小型民用AUV在各个商业领域也日益成为重要的工具，带来了效率、安全性和成本节约。

3.1 海上能源基础设施检查（油气、可再生能源）

AUV被广泛应用于水下基础设施的检查，包括油气管道、电缆以及海上风能租赁场址 4。先进的AUV，如FlatFish AUV，能够识别管道特征，并在距离海底2米处跟踪管道，利用先进的声学和光学跟踪器以及前视成像声呐进行导航 26。Freedom AUV也具备管道特征识别、跟踪、障碍物检测和自主避障功能 26。AUV还可用于海洋施工前后的评估，确保水下设施的完整性 11。

与使用人类潜水员或ROV的传统潜水检查相比，AUV在资产检查方面可将运营成本降低高达75% 11。它们克服了潜水员在深海作业中面临的挑战，如水压，从而提供了更安全、更高效的作业方式 9。

3.2 渔业与水产养殖监测及维护

AUV能够替代人工，实时监测水产养殖环境中的水质、温度和水产状况 9。这显著降低了劳动力成本并提高了生产效率 9。它们可以及时报告异常水质和异常行为的鱼类，确保渔业的健康发展 19。小型自主水下清洁机器人能够灵活清洁养殖网箱内壁和船只外壁，从而提高工作效率 19。一些AUV，如精灵M120 AUV，配备了小型声学载荷，用于渔业探测 27。

3.3 搜救行动与港口安全

AUV被用于搜救行动，识别航行危险，并定位水下物体 6。它们能够实时显示声呐图像，并提供目标的精确位置、深度和高度信息 20。虽然主要用于军事，但AUV在水下物体探测和识别方面的技术也直接适用于民用搜救或危险识别 21。REMUS AUVs广泛应用于水雷对抗（MCM），这涉及精确的水下测量 21。AUV通过情报、监视和侦察（ISR）能力，为港口和沿海地区保护做出贡献 12。

3.4 民用基础设施检查（例如，城市管道、桥墩）

AUV能够精确地定位城市饮用水、污水和排水管道中损坏或堵塞的部分，从而减少人工劳动并提高效率 9。这解决了老旧基础设施和堵塞等问题 9。对于桥墩和水下基础的检查，AUV提供了比传统船只和潜水员更安全、更快速、更准确的替代方案，尤其是在低能见度或危险环境中 10。AUV能够捕获高分辨率图像和空间数据，生成详细、可测量的3D模型，揭示裂缝或腐蚀等缺陷 10。这为难以检查的资产提供了精确性和可重复性 10。

3.5 新兴商业用途

随着旅游业的发展和对水下探索需求的增加，AUV正在水下摄影和一般水下娱乐等领域找到应用 9。AUV还可以作为通信中继 3或水下传感器网络中的移动节点，监测特定海域的通信质量 19。在极端天气条件下，配备气象雷达、水下探测声呐和网络接入的AUV可以预测礁石、冰山和风浪等情况，从而为船只快速开辟安全航线 19。

商业应用持续强调安全（减少人类潜水员在危险环境中的风险）和效率（更快、更准确、更具成本效益）。这表明，小型AUV在商业领域的核心价值主张不仅在于数据收集，更在于以显著降低人类生命风险和运营成本的方式执行关键任务。这使得AUV成为面临高劳动力成本、危险工作条件或需要频繁重复检查的行业的有吸引力的投资。这预示着未来的商业应用将深受AUV在安全改进和成本节约方面所展现的投资回报率的影响，从而推动其向更高可靠性和自主性的方向发展。

AUV能够对基础设施进行“实时监测” 9并提供“持续的健康数据流” 10。人工智能可以分析这些数据，从而“自动标记缺陷、优先安排维修并预测未来的故障” 10。通过提供水下资产（管道、电缆、网箱）状况的连续高分辨率数据，AUV正在将商业运营从被动维修转向主动维护和预测性分析。这使得公司能够在潜在问题升级为代价高昂的故障之前识别它们，优化维护计划，延长资产寿命，并防止环境破坏。这项能力具有变革性，它超越了单纯的数据收集，实现了智能资产管理，这将推动对集成人工智能和数据处理能力的更复杂AUV的需求。

尽管油气和水产养殖是重要的应用领域 5，但城市管道检查 9和水下娱乐 9等应用也正在兴起。小型AUV的多功能性和成本降低使其能够渗透到传统海洋产业之外的市场。这种多样化表明自主水下技术在社会中得到了更广泛的应用，其驱动力是对效率、安全和新型休闲方式的需求。这种扩展预示着针对这些独特需求（例如，更小、更灵活的管道检查AUV；用户友好的娱乐AUV）的专业AUV设计市场将不断增长，从而促进利基应用领域的创新。

4. 有价值的研究方向与新兴趋势

小型民用AUV的未来发展取决于克服当前限制并利用先进技术来增强其能力。

4.1 增强自主性与智能控制

在无GNSS信号环境中，AUV的高级导航和定位是关键挑战 7。目前导航依赖于惯性导航系统（INS）、陀螺仪、加速度计、磁力计（IMU）、深度计和电子罗盘 1。研究方向在于开发无需GNSS的精确导航和定位系统 7，这涉及多传感器融合技术 30，整合IMU、多普勒测速仪（DVL）、超短基线（USBL）、高度计和摄像头的数据 26。低成本、轻量化微机电系统（MEMS）IMU/DVL/USBL集成导航系统是一个有前景的领域，其精度可与更昂贵的光纤陀螺仪媲美 31。准确的位置信息对于AUV执行任务至关重要 30。INS对于水下测量任务尤为重要，它能计算随时间变化的轨迹，从而实现精确的测绘和监测 7。

在智能避障和轨迹跟踪方面，AUV面临着复杂的水下环境，包括动态洋流、未知海底地形、不规则障碍物（如大型鱼群、其他水下机器人）以及不完整的传感器信息 32。研究重点在于提高AUV在受扰环境中的自主机动和轨迹跟踪能力 17。这包括开发超越基本PID控制器的高级控制算法，例如神经网络 17，以及用于避碰的人工势场模型 33。目标是实现AUV在障碍物周围的平稳导航并安全到达目标点 30。鲁棒的避障能力是AUV发展的瓶颈，尤其是在作业扩展到更复杂的深海环境时 32。

AI/机器学习在车载数据处理和决策方面的集成至关重要，它能增强AUV的智能水平 14。这使得AUV能够自主决策、进行目标定位和分类 11，以及实时图像校正 18。AI能够处理大量传感器数据，从经验中学习，并自动标记缺陷或预测故障 10。这使得AUV从单纯的数据收集者转变为智能数据解释者和自主响应者。例如，Hydrus AUV利用AI图像处理技术生成高质量图像，并实现车载AI分类 11。

4.2 提高能源效率和续航能力

在下一代电池技术和混合动力系统方面，电源仍然是限制因素，由于电池容量限制，大多数任务通常持续不到24小时 1。这限制了AUV在不频繁回收或充电的情况下进行长期、大规模观测的能力 4。研究方向在于开发更高能量密度的电池，并克服高静水压下的性能退化问题 35。结合高能量密度燃料电池和高放电功率锂离子电池的混合能源系统是当前的研究热点 4。延长任务持续时间和航程是深远海应用的首要目标 5。

自主水下充电和对接解决方案是延长续航能力的另一新兴技术 5。AUV可以自主返回水下基站进行电能补充和数据交换，从而极大地扩展任务能力 5。这减少了频繁回收载具的需求，节省了时间和资源，提高了人类安全性，并增加了任务的隐蔽性 5。挑战包括海洋环境适应性和电磁兼容性 35。

水动力优化对于延长任务时间至关重要。设计考虑因素，如船体形状（长度与直径比为6:1至8:1以促进层流）、流线型表面以及优化的内部组件布局，对于减小阻力、提高效率、航程和续航能力至关重要 36。最小化迎水面积和保持层流可减少压力阻力和摩擦阻力 36。水下滑翔机通过浮力推进实现了能源效率的典范，可运行数月之久 4。研究还包括开发深海滑翔机的浮力补偿系统，以提高续航能力和稳定性 17。

4.3 通信与传感器集成进展

在鲁棒和高带宽水下通信系统方面，水声通信，作为主要通信方式，存在传输延迟和时钟漂移，这使得AUV协同作业的精确相对定位变得困难 37。研究方向在于改进水声通信，并探索替代方法，如用于短距离高速安全数据传输的光学调制解调器 11。研究还侧重于开发AUV之间以及与水面/地面控制站之间可靠的通信链路 14。可靠的通信对于实时数据传输、远程控制（如果需要）和协同操作至关重要 13。

在多传感器融合和自适应有效载荷集成方面，研究重点在于集成多种传感器（声呐、DVL、摄像头、CTD、化学传感器、激光扫描仪），并融合其数据以更全面地理解水下环境 6。这包括开发开放平台，允许用户集成自定义软件并直接访问传感器数据 11。模块化设计 1以及根据不同应用场景选择合适配置的能力至关重要 1。传感器融合提高了导航精度、避障能力和目标识别能力 30。

4.4 集群机器人与协同作业

在多AUV协调和组网以执行复杂任务方面，研究方向在于开发AUV集群智能 14，以实现协调路径规划、任务分配和编队控制 14。这使得多个AUV能够组合形成更大、能力更强的系统，或比单个AUV更有效地执行复杂任务 1。集群机器人技术在可扩展性、鲁棒性、适应性和容错性方面具有优势 14。它支持并行任务执行和分布式操作，从而提高整体系统性能 15。例如，MONSUN AUV专为水下环境观测中的集群作业而设计 3。SwarmDiver也用于集群观测 3。

在**异构集群集成（例如，AUV-USV协同）**方面，研究侧重于无人水面艇（USV）与AUV之间的协同作业 31。USV可以发射、回收并同步AUV任务 4。这种混合方法结合了水面通信和处理与水下数据收集的优势，为水下目标搜索等任务提供了高搜索效率、灵活部署和实时信息传输 31。

表2：主要研究方向及相关技术重点领域

主要研究方向	具体技术重点领域	相关挑战/目标	来源
增强自主性与智能控制	无GNSS环境下的精确导航与定位	精度、鲁棒性	7
	智能避障与轨迹跟踪	复杂环境适应性、安全性	17
	AI/机器学习用于车载数据处理与决策	实时性、智能解释、自主响应	10
提高能源效率与续航能力	下一代电池技术与混合动力系统	能量密度、高压适应性、长续航	4
	自主水下充电与对接解决方案	任务延长、隐蔽性、工程应用	5
	水动力优化	减小阻力、提高效率与航程	4
通信与传感器集成进展	鲁棒高带宽水下通信系统	传输延迟、带宽、实时性	11
	多传感器融合与自适应有效载荷集成	全面环境理解、模块化、精度	1
集群机器人与协同作业	多AUV协调与组网	效率、鲁棒性、任务分配	1
	异构集群集成（例如，AUV-USV协同）	搜索效率、灵活部署、信息传输	4

多项资料表明，人工智能（AI）和机器学习（ML）的集成正在改变AUV的导航、避障、图像处理和决策能力。这不仅仅是自动化任务，更是为了实现“智能”行为和数据解释。AUV的未来与AI的进步密不可分。AI将把AUV从可编程机器人转变为能够实时自适应行为、复杂问题解决（例如，在高度动态、不确定的环境中导航）和车载数据分析的智能代理。这种融合意味着AUV将不仅仅收集数据，还会主动解释数据，自主做出决策，甚至从环境中学习，从而以更高效、更有效、更复杂的方式执行任务，并减少人工干预。这也意味着对自主系统健全的AI伦理和安全协议的需求日益增长。

续航能力是AUV的主要限制因素。解决方案包括先进的电池、燃料电池和自主水下充电技术。水动力优化也能延长航程。通过能源技术的进步，将任务持续时间从几小时延长到几天甚至数月（如水下滑翔机）不仅仅是增量改进，更是全新任务类别的根本性推动。长续航AUV可以进行持续监测，覆盖广阔的海洋区域，并在无需频繁回收的情况下在偏远地区作业，从而大幅降低运营成本并增加数据密度。这将使以前不可能的大规模、长期科学研究（例如，气候监测）和商业运营（例如，整个网络基础设施的持续监控）变得可行。

多体AUV和AUV集群组网的概念被强调用于执行复杂任务、提高效率和增强鲁棒性。从单个AUV部署转向协调集群代表了水下作业的范式转变。集群具有固有的冗余性（容错）、可扩展性（覆盖更大区域）和并行执行任务的能力，显著提高了任务效率和在动态环境中的弹性。这对于大规模测绘、分布式传感和复杂搜索操作至关重要，能够实现单个AUV无法达到的全面覆盖和数据采集。它也对AUV间通信、协调算法和分布式决策提出了重大挑战。

5. 挑战与局限性

尽管小型民用AUV具有显著优势和广阔前景，但它们仍面临多项技术和操作障碍，限制了其潜力的充分发挥。

5.1 技术障碍

电源限制是任务航程和持续时间的主要制约因素，许多AUV的任务时间通常少于24小时 1。这限制了它们在不频繁回收或充电的情况下进行长期、大规模观测的能力 4。

复杂的动力学和控制是另一项挑战。AUV在固有的非线性、时变的水下环境中运行 28。动态洋流、未知海底地形和不规则障碍物等因素 32对自主导航、轨迹跟踪和精确控制提出了严峻挑战 17。

传感器精度和鲁棒性也存在局限。尽管传感器至关重要，但其性能可能受到恶劣海洋条件的影响 7。障碍物检测和环境传感的精度可能受到限制，尤其是在障碍物形状不规则或信息不完整的情况下 32。

有效载荷限制是小型AUV的固有问题。由于尺寸小，微小型AUV用于大型电机、高功率传感器和大量电池组的空间有限，这限制了它们的瞬时功率和平均功耗 1。这也限制了它们可以携带的科学有效载荷的尺寸和种类 1。

5.2 操作限制

在深水、高压、低光照、浑浊或强流条件下作业，对AUV的载具设计、材料科学和传感器性能提出了严峻的工程挑战 11。

通信延迟和带宽是水下通信（主要是水声通信）面临的问题，其传输延迟和有限带宽使得实时、高数据速率通信以及协调操作的精确相对定位变得困难 37。这影响了实时监测和复杂集群协调的能力。

无GNSS导航环境迫使AUV依赖航位推算和传感器融合，这可能在长时间任务中累积误差，影响精度 7。

尽管小型AUV可以由单人携带，但在恶劣海况下，部署和回收仍然可能很复杂，需要专门设备或与水面船只协调 4。

5.3 经济障碍和可及性

尽管小型AUV相较于大型AUV而言成本较低 1，但购买AUV舰队、相关发射/回收系统以及数据处理基础设施的初始投资对于小型组织而言可能仍然相当可观。

维护和运营成本包括持续维护、电池更换和传感器校准，这些都会增加运营成本。

技能差距也是一个障碍。操作、维护和解释来自先进AUV的数据需要专门的技术技能，这并非所有组织都具备，从而阻碍了更广泛的应用。

有限的有效载荷能力直接影响电池尺寸，进而影响续航能力。有限的续航能力限制了任务范围和持续时间。短任务时间加剧了在无GNSS环境中导航精度的挑战，因为在更长时间、未经校正的周期内，误差累积变得更加显著。小型AUV面临的挑战并非孤立存在，而是形成了一个相互关联的系统。改进某一方面（例如，电池寿命）通常需要在另一方面（例如，有效载荷或尺寸）做出妥协。这种“恶性循环”意味着整体设计和集成解决方案至关重要。某一领域的突破，如能量密度，可以产生连锁反应，促使更强大的传感器、更长的任务和更复杂的导航算法成为可能，从而全面推动显著进步。这凸显了多学科研究的必要性。

水下环境的特点是“复杂、固有的非线性、时变动力学” 28，“动态洋流、未知海底地形” 32以及“不完整的传感器信息” 32。这些不确定性直接挑战了AUV的“自主规划和导航” 30，并导致“自主避障能力不足” 32。水下环境固有的不确定性和不可预测性给AUV的自主性带来了“不确定性税”。这种“税”表现为实时决策的计算复杂性增加、对鲁棒和冗余传感器系统需求的增加以及任务失败或碰撞风险的提高。克服这一问题不仅需要更好的硬件，还需要更复杂的AI和控制算法，这些算法能够处理模糊性，从动态条件中学习，并在信息不完整的情况下做出弹性决策。这是未来研究的关键领域，以真正实现完全自主、长时间的任务。

AUV能够收集“高分辨率数据” 6，但这些数据通常存储在车载设备中，并在任务结束后才能检索 6。通信挑战（延迟、带宽）限制了实时数据传输 37。尽管AUV在数据“收集”方面表现出色，但挑战在于如何及时将这些原始数据转化为“可操作的智能”。当前水下通信的限制造成了“数据瓶颈”，即大量收集到的数据无法实时传输或处理。这延迟了商业运营的决策制定，并减缓了科学发现的进程。未来的进步必须优先考虑的不仅是数据收集能力，还有车载处理能力（用于实时分析的AI） 10和高带宽、低延迟的通信解决方案 11，以实现真正响应迅速和自适应的操作。

6. 主要参与者与创新

本节将重点介绍在小型民用AUV技术创新方面处于领先地位的研究机构、大学和公司，展示其知名型号及其贡献。

6.1 领先研究机构与大学

**伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）**是AUV的杰出开发者，尤其以REMUS（远程环境监测单元）系列闻名 3。REMUS AUVs广泛应用于海底测绘、水下测量和搜救等民用领域 21。REMUS 100和REMUS M3V是其显著代表 3。

英国南安普顿大学国家海洋学中心开发了ecoSUBμ5和ALAUV等型号，侧重于快速部署和集群观测 3。

**西北工业大学（中国）**研制了无影便携式AUV，用于科研教学，强调安全功能并满足海洋和水声领域科研平台的需求 1。他们还开发了水下非接触式充电装置 35。

中国科学院沈阳自动化研究所研制了探索100微小型AUV，用于海洋环境探测和水下观测 1。他们还开发了“潜龙一号”用于深水勘探和资源测绘 22。

西班牙赫罗纳大学开发了Sparus II，一种箭体类AUV，用于海洋观测和海底测绘 3。

葡萄牙波尔图大学开发了SHAD AUV，以其出色的悬停能力和适用于强流观测而闻名 1。

德国吕贝克大学开发了MONSUN，一种箭体类AUV，专为集群作业和水下环境观测而设计 3。

6.2 主要公司及其创新

**OceanServer Technology（现为L3Harris Technologies一部分）**开发了Iver3 AUV，用于近岸环境观测、搜救，并配备侧扫声呐 1。

**RTSYS（法国）**生产NemoSens，一种回转体AUV，用于海底地形测绘、声学监测和水雷对抗，能够携带各种环境传感器 3。

**Bluefin Robotics（现为General Dynamics Mission Systems一部分）**开发了SandShark，一种小型回转体AUV，用于声学探测、军事演习，并可作为大型AUV的子载具 3。

**Advanced Navigation（澳大利亚）**开发了Hydrus，一种微型悬停AUV，以其4K摄像头、动态照明、AI图像处理和创建3D RGB点云的能力而著称。它专为珊瑚礁/栖息地监测、海底验证/测绘和水下资产检查而设计，强调可负担性和非专业人士的易用性 11。

**Voyis（加拿大）**专注于将尖端成像技术（激光扫描仪和摄像头）集成到小型和中型AUV中，革新了水下检查和测绘。他们的系统已与Sparus II、Teledyne Gavia、OceanScan LAUV和HII REMUS等AUV集成，用于高分辨率成像、3D建模和实时导航/避障 18。

**Exail（法国）**提供用于国防应用的AUV，但其在鲁棒导航、高质量成像和用户友好型任务规划软件（Umisoft）方面的重点也具有民用交叉应用，特别是在快速环境评估和关键水下基础设施保护方面 12。

中国公司：中科探海公司开发了精灵M120 AUV用于渔业探测 3。天津瀚海蓝帆公司开发了云帆AUV用于科研教学、辅助救援和航道勘测 1。

表3：部分小型民用AUV型号及其主要规格/应用

AUV型号	国家/地区	外形尺寸 (mm)	质量 (kg)	最大深度 (m)	续航时间 (h)	电池电量 (W·h)	导航/定位/通信传感器	主要民用应用
REMUS M3V	美国	914.4 × ϕ123.825	10	300	6~7	360	AHRS/GPS/WiFi/铱星/声学通信	海洋环境观测/快速部署/声学探测
ecoSUBμ5	英国	917 × ϕ120	5	500	24	–	IMU/GPS/深度计	快速部署/集群观测
NemoSens	法国	960 × ϕ124	10	300	8	–	GPS/INS	海底地形测绘/声学监测
Iver3	美国	1520 × ϕ147	27	100	12	800	电子罗盘/深度计/WiFi	近海环境观测/搜索救援
探索100	中国	1700 × ϕ200	47	100	–	–	–	海洋环境探测
无影	中国	1500 × ϕ180	35	50	6	1500	GPS/深度计	海洋环境探测/科研教学
云帆	中国	1550 × ϕ200	40	200	11	–	–	科研教学/辅助救援/航道勘测
Sparus II	西班牙	1600 × 460 × ϕ230	52	200	8~10	1400	IMU/深度计/GPS/WiFi	海洋观测/海底地形绘制
SHAD	葡萄牙	900 × ϕ120	10	20	–	82	AHRS/深度计/GPS	强流水域观测
精灵M120	中国	1000 × ϕ120	10	300	12	–	–	渔业探查/海洋环境观测
Hydrus	澳大利亚	小型	轻便	-	-	-	4K相机/声呐/导航	珊瑚礁监测/海底测绘/资产检查

注：此表仅列出部分典型民用AUV型号，数据来源于研究资料，可能存在部分缺失或估算值。

6.3 协同生态系统

AUV的开发通常涉及海军研究机构、海洋学机构和大学之间的合作，REMUS系列就是典型案例 21。全球AUV/UUV市场价值26亿美元，预计到2022年将翻一番，客户涵盖国防、油气和研究行业 5。这表明一个强大且不断增长的生态系统正在形成。

许多领先的AUV（例如REMUS）和技术（例如Exail的系统）都是在军事资金支持下或为军事应用（水雷对抗、ISR、反潜战）而开发的。然而，这些技术通常具有明确的民用应用（海底测绘、海洋考古、海上油气、环境评估）。军事对AUV研发的投资是民用能力发展的强大加速器。国防领域的严苛要求（例如，隐身性、深海作业、在对抗环境中的鲁棒导航、用于目标识别的先进传感器集成）推动了AUV技术的发展边界。这些进步随后被引入或直接应用于民用领域，通常由于规模经济或核心技术的风险降低而成本更低。这种军民两用动态意味着民用AUV受益于尖端研究，而这些研究在纯商业开发中可能成本过高或过于复杂，从而迅速提升了其复杂性和可靠性。

随着AUV技术的成熟，出现了向以用户为中心的设计的明显趋势，旨在简化操作和数据解释。像Advanced Navigation的Hydrus这样的公司强调“直观的任务控制”和“开放平台”，使“任何需要水下数据的人”都能进行复杂的任务设计 11。这与早期需要专业操作员的专业AUV形成了对比。这种转变对于将市场扩展到高度专业化的研究机构和大型企业之外至关重要。通过使AUV更易于部署和管理，并通过集成AI进行自动化数据处理，制造商正在降低操作门槛，从而使小型企业、环保组织甚至教育机构能够更广泛地采用。这可能会推动软件界面、自主决策和集成数据分析方面的进一步创新，使AUV更接近于“即插即用”的工具。

研究资料显示，AUV的开发和部署涉及美国、英国、法国、中国、德国、瑞士、西班牙、葡萄牙和日本等多个国家的研究机构和公司。领先参与者的广泛地理分布表明，全球都认识到AUV技术对经济和科学进步的战略重要性。这预示着研发领域将持续存在国际竞争与合作，从而带来快速的创新周期。各国和公司正在争夺该领域的主导地位，这可能会加速技术突破，加剧市场竞争，并可能建立AUV操作和数据交换的国际标准。这种全球焦点将推动AUV能力和应用的持续发展。

7. 结论与未来展望

本总结部分将回顾小型民用AUV的变革性影响，并为未来的发展和投资提供建议。

7.1 变革性影响回顾

小型民用AUV已经使水下环境的访问大众化，为广泛的科学和商业应用提供了成本效益高、高效且更安全的数据收集方式。它们为海洋学、生物学和地质学研究提供了前所未有的分辨率和时间覆盖，从而带来了更深入的科学见解。在商业领域，它们提高了效率，降低了运营风险，并实现了主动资产管理，为海上能源、水产养殖和民用基础设施等行业做出了重要贡献。

7.2 未来发展与投资建议

为了充分发挥小型民用AUV的潜力，以下是未来发展和投资的关键建议：

• 优先发展能源解决方案： 持续投资于高能量密度、坚固耐用的电池技术，并开发可靠的自主水下充电基础设施至关重要，以延长任务续航能力并实现长时间作业。
• 推进人工智能与自主性： 重点关注AI/机器学习，以增强决策能力、在复杂环境中的自适应导航以及实时车载数据处理，从而将AUV从数据收集者转变为智能数据解释者和自主响应者。
• 强化通信网络： 投资于高带宽、低延迟的水下通信系统研究至关重要，以实现实时数据流传输、远程控制和有效的集群协调。
• 促进集群机器人技术： 鼓励多AUV协调、任务分配和异构集群集成（例如，AUV-USV协同）的研究与开发，以实现大规模复杂任务的全面覆盖、弹性和效率。
• 标准化与互操作性： 推动AUV设计、通信协议和数据格式的行业标准制定，以促进不同平台和应用之间的互操作性和更广泛的采用。
• 人才培养： 投资于培训和技能提升计划，以培养能够设计、操作和维护先进AUV系统并分析其生成复杂数据的专业人才队伍。
• 军民协同： 继续利用军事AUV研发的进步成果造福民用应用，同时也要促进专门的民用创新途径。

报告强调，AUV的进步是由材料科学、AI/机器学习、传感器技术、机器人技术和通信等多个领域的突破共同推动的。小型民用AUV的未来增长将不是线性的，而是指数级的，这得益于这些跨学科领域的加速融合。一个领域的创新（例如，用于导航的AI）可以迅速解锁另一个领域的新能力（例如，用于更长时间任务的能源管理）。这表明，战略投资应优先考虑打破传统壁垒的协作性、跨学科研究计划，从而促进AUV开发的整体方法。未来的“智能”AUV将是一个高度集成的系统，而不仅仅是先进组件的集合。

AUV的应用范围涵盖资源勘探、水产养殖、基础设施检查和环境监测，这些都是新兴“蓝色经济”的核心组成部分，也是可持续海洋管理的关键。小型民用AUV不仅仅是工具；它们是实现蓝色经济全部潜力和有效海洋管理的基础技术。它们收集精确、可重复和非侵入性数据的能力对于可持续资源管理、环境保护、气候变化适应以及确保海洋基础设施安全不可或缺。因此，对AUV技术的投资不应仅仅被视为一项技术进步，而应被视为在全球经济增长、环境韧性以及海洋背景下人类福祉的战略要务。这使得AUV处于国家和国际海洋战略的最前沿。

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