解鎖掃地機(jī)器人里的智慧“芯”動(dòng)力
2025-3-18 來源：兆易 作者：-
近年來，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和形態(tài)發(fā)展相當(dāng)快，從家庭、餐廳、到購物中心、酒店，再到倉儲(chǔ)物流、工業(yè)裝備制造，幾乎無處不在。尤其值得關(guān)注的，是近年來機(jī)器人正逐漸從自動(dòng)化向智能化、自主化蛻變，具備自我學(xué)習(xí)能力的智能機(jī)器人正在顛覆人類對機(jī)器人的傳統(tǒng)認(rèn)知。
根據(jù)《智能機(jī)器人行業(yè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書（2023版）》，2022年全球智能機(jī)器人市場規(guī)模超過500億美元，2024年將超過660億美元。這其中，隨著中國工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷深入，中國智能機(jī)器人市場規(guī)模預(yù)計(jì)在2024年將達(dá)到251億美元，CAGR達(dá)到20%。工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人占全球比例將達(dá)到50%、35%和24%。
智能機(jī)器人全球市場規(guī)模（資料來源：IFR、中國信通院、電子學(xué)會(huì)）
智慧服務(wù)機(jī)器人迎來黃金十年
早在2017年，中國信息通信研究院、IDC國際數(shù)據(jù)集團(tuán)和英特爾就共同發(fā)布了《人工智能時(shí)代的機(jī)器人3.0新生態(tài)》白皮書。在書中，機(jī)器人的發(fā)展歷程被劃分為機(jī)器人1.0、機(jī)器人2.0、機(jī)器人3.0三個(gè)時(shí)代，對機(jī)器人的描述也從“對外界環(huán)境沒有感知，只能單純復(fù)現(xiàn)人類的示教動(dòng)作，在制造業(yè)領(lǐng)域替代工人進(jìn)行機(jī)械性的重復(fù)體力勞動(dòng)。”逐步進(jìn)化為“除了具有感知能力實(shí)現(xiàn)智能協(xié)作，還具有理解和決策的能力，達(dá)到自主的服務(wù)。”和“在90%，甚至95%的情況可以自主完成任務(wù)。”
這是一種類似互聯(lián)網(wǎng)的多級(jí)火箭發(fā)展模式，第一階段——關(guān)鍵場景，把握垂直應(yīng)用，提高場景、任務(wù)、能力的匹配，提高機(jī)器人在關(guān)鍵應(yīng)用場景的能力，擴(kuò)大用戶基礎(chǔ)；第二階段——人工增強(qiáng)，通過加入持續(xù)學(xué)習(xí)和場景自適應(yīng)的能力，延伸服務(wù)能力，取代部分人力，逐步實(shí)現(xiàn)對人的替代，讓機(jī)器人的能力滿足用戶預(yù)期；第三階段——規(guī)模化，通過云-邊-端融合的機(jī)器人系統(tǒng)和架構(gòu)，讓機(jī)器人達(dá)到數(shù)百萬千萬級(jí)水平，從而降低價(jià)格成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。
根據(jù)中國GB/T 39405 2020標(biāo)準(zhǔn)，目前機(jī)器人可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人三類。其中，服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用場景復(fù)雜、與人交互密切、市場潛力巨大，對智能化升級(jí)最為迫切。數(shù)據(jù)顯示，2023年中國服務(wù)機(jī)器人市場規(guī)模達(dá)到約600.16億元，近五年年均復(fù)合增長率達(dá)32.41%。而全球機(jī)器人市場規(guī)模預(yù)計(jì)將在未來10年內(nèi)增長近10倍，到2030年全球機(jī)器人市場規(guī)模將達(dá)1600億至2600億美元。
而在眾多細(xì)分領(lǐng)域中，掃地機(jī)器人又是當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣、銷量最大的服務(wù)機(jī)器人。
中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2024-2029年中國掃地機(jī)器人行業(yè)市場前景預(yù)測及未來發(fā)展趨勢研究報(bào)告》顯示，2019年至2020年是掃地機(jī)器人高速發(fā)展的階段，零售量均超過600萬臺(tái)，此后2年掃地機(jī)器人零售量有所下滑。2023年掃地機(jī)器人銷售回暖，零售量為458萬臺(tái)，同比增長4%。2024年1-4月掃地機(jī)器人零售量102萬臺(tái)，同比增長17%。中商產(chǎn)業(yè)研究院分析師預(yù)測，2024年中國掃地機(jī)器人零售量將達(dá)525萬臺(tái)。
2019-2024年掃地機(jī)器人零售量趨勢圖（來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院）
因此，近年來，國家也出臺(tái)了一系列政策文件來支持掃地機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。例如，《關(guān)于推動(dòng)輕工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)于促進(jìn)綠色智能家電消費(fèi)若干措施的通知》等文件提出促進(jìn)智能家電消費(fèi)，推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展，為掃地機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。
兆易創(chuàng)新掃地機(jī)器人解決方案
作為智能生活終端，掃地機(jī)器人的核心競爭力依托于所選擇的芯片解決方案，同時(shí)結(jié)合軟件算法的協(xié)同發(fā)揮，最終呈現(xiàn)出產(chǎn)品整體的卓越表現(xiàn)。兆易創(chuàng)新是一家堅(jiān)持“多元化布局”戰(zhàn)略的公司，旗下電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源管理、鋰電池充電、信號(hào)鏈，以及微控制器（MCU）與閃存（Flash）等芯片產(chǎn)品，已在掃地機(jī)器人行業(yè)的領(lǐng)軍品牌中實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。
掃地機(jī)器人系統(tǒng)框圖
掃地機(jī)器人的核心系統(tǒng)主要分為以下六大類，每一部分都融入了兆易創(chuàng)新芯片的身影：
1. 移動(dòng)系統(tǒng)：通過有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)行走輪靈活移動(dòng)與精準(zhǔn)避障轉(zhuǎn)向能力，當(dāng)遭遇門檻、地毯等障礙物時(shí)，自動(dòng)調(diào)整并抬升底盤以順利跨越，從而在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中執(zhí)行全面細(xì)致的清掃任務(wù)。
推薦選型：有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片GD30DR300x
GD30DR300x是一款集成電流檢測、故障保護(hù)等功能的有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，支持兩路邏輯控制，集成了4個(gè)大電流MOSFET組成的雙向控制電路，電機(jī)速度可通過PWM控制，頻率最高可達(dá)200KHz，支持寬電壓輸入范圍4.5-45V，最大峰值電流6A，且具備過流保護(hù)（OCP），過熱保護(hù)（TSD），欠壓鎖定（UVLO）和防MOSFET直通等安全保護(hù)功能。該產(chǎn)品規(guī)格幾乎適用于目前所有類型的掃地機(jī)系統(tǒng)需求，尤其是機(jī)器人行走輪電機(jī)控制方案需求，比如前轉(zhuǎn)、后轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)檢測等功能，還用于避障電機(jī)、抬升電機(jī)、雷達(dá)旋轉(zhuǎn)等。
GD30DR300x評(píng)估板
2. 清潔系統(tǒng)：電機(jī)控制芯片控制邊刷與主刷的旋轉(zhuǎn)速度和力度，還有拖地抹布（掃拖一體）的擦拭強(qiáng)度，確保清潔效果既徹底又節(jié)能，還可以控制拖地水泵的出水量，確保拖地效果均勻且不留水漬。電機(jī)控制芯片與算法緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)吸塵的同時(shí)，盡可能降低運(yùn)行噪音。
推薦選型：有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片GD30DR300x
主要應(yīng)用在水泵，電解水模塊。
推薦選型：無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片GD30DR8306/8413
該產(chǎn)品系列集成了三個(gè)可單獨(dú)控制的半橋驅(qū)動(dòng)器，寬電壓輸入范圍4.5-30V，其中GD30DR8413集成了功率級(jí)，峰值驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)3A。此外還集成了用于提供高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)壓自舉電路、集成電源欠壓鎖定、過溫保護(hù)、預(yù)防MOSFET直通等保護(hù)功能，可防止集成電路和系統(tǒng)因發(fā)生故障而損壞。主要應(yīng)用于掃地機(jī)器人主刷、邊刷、吸塵等無刷電機(jī)場景中。
3. 電源管理系統(tǒng)：包括有鋰電池充電、放電控制（MOS控制，電池直供）、AFE、電量計(jì)等，卓越的電源管理能夠顯著提升設(shè)備的續(xù)航能力。
推薦選型：鋰電池充電芯片GD30BC2501
掃地機(jī)器人是四節(jié)鋰電池串聯(lián)使用的典型應(yīng)用場景，充電管理芯片會(huì)在掃地機(jī)器人主板上或在充電塢上，負(fù)責(zé)對鋰電池充電曲線進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)高效，安全的充電。GD30BC2501可為4/6節(jié)鋰電池充電，寬輸入電壓高達(dá)32V；支持預(yù)充，恒壓和恒電等充電功能，支持最高5A的開關(guān)充電。提供過流保護(hù)，電池過溫欠溫保護(hù)，過壓欠壓保護(hù)，熱關(guān)機(jī)等安全保護(hù)措施；充電效率高達(dá)95%。
推薦選型：DC-DC降壓芯片GD30DC1350/1500
該產(chǎn)品常被用于一級(jí)降壓電路，其最大輸入電壓28V/40V，輸出電流為3A。
推薦選型：LDO芯片GD30LD2000/2010/240x
該系列LDO Low Iq的特性可以滿足掃地機(jī)器人在待機(jī)狀態(tài)的低功耗需求。其中，GD30LD2000/2010主要用于二級(jí)降壓電路，最大輸出為300mA和500mA, GD30LD2000輕負(fù)載時(shí)靜態(tài)電流為0.8uA，±2%輸出電壓精度，<0.1uA關(guān)斷電流；有熱關(guān)斷保護(hù)和限流保護(hù)；GD30LD240x是高壓低功耗的高性能LDO，輸入電壓可達(dá)36/45V，輸出電流范圍為250mA~350mA，常用于一級(jí)降壓電路。
推薦選型：信號(hào)鏈芯片GD30AP321/358/324、GD30AP8631、GD30CP331
GD30AP321/358/324為通用運(yùn)放、GD30AP8631為中高速運(yùn)放和GD30CP331為通用比較器，可實(shí)現(xiàn)外部檢測電機(jī)電流，并將檢測結(jié)果反饋給MCU芯片。
4. 感知系統(tǒng)：為了精準(zhǔn)識(shí)別環(huán)境、規(guī)避障礙并高效導(dǎo)航，掃地機(jī)器人集成了包括陀螺儀、超聲波傳感器、DTOF（直接飛行時(shí)間）測距傳感器、紅外線傳感器及LDS（激光測距傳感器）等多類感知元件。這些高精度傳感器的協(xié)同工作，依賴于高效的數(shù)據(jù)處理芯片，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的即時(shí)捕捉與精準(zhǔn)解析。
推薦選型：超值型MCU系列芯片GD32E230/E235和GD32F3x0
GD32E230/E235基于Cortex®-M23內(nèi)核，主頻達(dá)到72MHz，配備了16KB到128KB的嵌入式閃存及4KB到16KB的SRAM，靜電防護(hù)和抗干擾能力強(qiáng)，具備高可靠性，可應(yīng)用于加速度傳感器、霍爾傳感器、超聲波傳感器等。
GD32F3x0基于Cortex®-M4內(nèi)核，通用入門款超高性價(jià)比芯片，性能優(yōu)異，外設(shè)豐富，主頻高達(dá)72/84/108MHz，配備16至128K Flash，4至16K SRAM，可用于LDS激光測距傳感器數(shù)據(jù)采集，處理和控制決策等；GD32E230/E235以及GD32F3x0系列芯片產(chǎn)品保持了完美的軟件代碼和硬件管腳兼容性，開發(fā)者可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需求靈活地進(jìn)行選擇切換。
5. 控制系統(tǒng)：MCU與SoC等主控芯片不僅需承載復(fù)雜的算法運(yùn)算，還需協(xié)調(diào)各功能模塊的無縫對接。結(jié)合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)支持，主控芯片負(fù)責(zé)解析感知數(shù)據(jù)，制定導(dǎo)航清掃策略，并實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器狀態(tài)，確保清掃任務(wù)的高效執(zhí)行。
推薦選型：主流型MCU系列芯片GD32F30x和高性能MCU系列芯片GD32E50x
GD32F30x基于Cortex-M4內(nèi)核，通用主流款芯片，主頻最高120MHz，搭配128至3072KB Flash，48-96KB SRAM，集成豐富的互聯(lián)接口，如UART，SPI，QSPI，I2C，I2S，SDIO, CAN，USB OTG FS，EXMC和Ethernet，可對多個(gè)獨(dú)立模塊進(jìn)行高效且靈活的控制，滿足復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)需求。
GD32E50x基于Cortex®-M33內(nèi)核，主頻最高180MHz，搭配128KB到512KB Flash，80KB到128KB SRAM，支持Dual bank讀寫同步操作，配備硬件三角函數(shù)加速器TMU，提高數(shù)學(xué)運(yùn)算的處理效率，支持多路高精度PWM信號(hào)輸出，集成高性能ADC和高速比較器，進(jìn)一步增強(qiáng)外設(shè)連接性（USB OTG HS，CAN FD，SQPI等），具有高抗噪性（ESD 6Kv）。非常適用于數(shù)據(jù)密集、算法密集、傳輸密集的高精度工控和消費(fèi)類應(yīng)用場景。
推薦選型：GD25/55系列SPI NOR Flash
GD25/55系列SPI NOR Flash容量覆蓋廣，時(shí)鐘頻率支持133Mhz及以上，IO接口支持1線/2線/4線/8線，以及支持DTR功能，NOR Flash多與掃地機(jī)的語音模塊、雷達(dá)模塊進(jìn)行搭配。
推薦選型：GD5F系列SPI NAND Flash
GD5F系列SPI NAND Flash，容量支持1Gb/2Gb/4Gb，時(shí)鐘頻率133Mhz，內(nèi)置ECC功能，一般搭配SoC方案用于掃地機(jī)的導(dǎo)航模塊。
推薦選型：GDQ系列DDR4和GDP DDR3L
GDQ系列DDR4，容量支持4Gb/8Gb，速率2400/2666/3200Mbps
GDP系列DDR3L，容量支持2Gb/4Gb，速率1866/2133Mbps
用作于SoC方案的主存儲(chǔ)器。
6. 基站系統(tǒng)：一般具備自動(dòng)集塵，自動(dòng)上下水，抹布清潔，烘干以及抑菌功能，進(jìn)一步減少家務(wù)勞動(dòng)，解放雙手。
推薦選型：有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片GD30DR300x
主要應(yīng)用在水泵、烘干，熱風(fēng)除菌等系統(tǒng)。
推薦選型：超值型MCU系列芯片GD32E230/E235和GD32F3x0
用作基站系統(tǒng)控制芯片。
綜上所述，兆易創(chuàng)新憑借全方位的技術(shù)布局，出色的產(chǎn)品性能，豐富完備的生態(tài)系統(tǒng)，及時(shí)的支持服務(wù)響應(yīng)，在當(dāng)前的掃地機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域已占據(jù)了重要的市場地位。展望未來，兆易創(chuàng)新也將繼續(xù)推陳出新，進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域智能化發(fā)展進(jìn)程。
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