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原创扫地机器人方案浅析

 2024-2-29 10:51  923 3 3 分类: 消费电子文集: 拍明芯城

前不久，一个朋友聊天中提及家里的猫毛和灰尘太多，双11入手了一台松下扫地机器人，没选我所推荐的戴森、科沃斯、石头和小米。扫地机器人真的好用么？有哪些芯片方案？

从行业数据来看，扫地机器人渗透率在美国约为15%，在日本和欧洲约为10%左右，而在我国沿海地区渗透率仅为4%-5%，内陆仅为0.5%。尽管渗透率低，但2020年中国扫地机器人销量达600万台，销售额94.1亿元。由此可见，扫地机器人的市场前景是非常广阔的。《2021年扫地机器人市场发展白皮书》显示，2021年上半年，国内扫地机器人的零售量为280万台，同比增长2%，零售规模为53亿元，同比增长39%。

从结构组成来看，扫地机器人一般分为主机和充电座两部分，主机包括：

扫地机器人的充电座包括：

从系统构成来看，扫地机分为导航系统、清洁系统、续航系统和交互系统。

图1、扫地机器人系统构成（图源：格隆汇）

各系统更详细的零部件组成：

导航系统：主要有主板（含MCU、算法芯片、存储芯片、电源管理芯片等）、驱动板、连接部件、万向轮、滚轮等，是机器人的大脑。而各类传感器实现空间和状态监测、避障、防跌落等功能，是机器人之眼。

空间传感（激光雷达、红外传感器、碰撞传感器、超声波传感器、图像传感器）：物体识别，侦测判断家居物品及空间方位，进而实现路径规划功能。

状态类传感器（下视悬崖传感器、磁传感器、在位传感器、电量计、湿度传感器、转速传感器）：能够实时监测机器人、尘盒、水箱、拖布、电池、电机等零组件的状态，能够发出提示、控制或自动实现某些功能。

接触式厚度传感器：安装在运动系统中，能够感知坡度和障碍物高度，判断能否通行，给扫地机器人提供越障方案。

平衡类传感器（陀螺仪、电子罗盘、加速度计）：能够辅助机器转弯、过障，控制好速度和角速度。

清洁系统：电机（拖扫、内滚、吸尘）及驱动板、连接器、边刷、滚刷、尘盒/集尘袋、水箱、滤网、抹布、排气管等，实现毛发、纸屑、灰尘、污垢等的拖扫吸。

续航系统：电池（可循环充电，镍氢电池或锂离子电池）、连接部件、充电器、充电座、回充传感器、无线充电模块等，保证机器人的正常供电和充电任务。

交互系统：无线模块（WiFi、蓝牙等）、语音模块（语音芯片、硅麦、喇叭等）、提示或指示灯（LED、数码管、显示屏等），实现与手机APP端的连接与控制，连接人工智能语音助手，工作、充电等状态指示等功能。

图2、扫地机器人产业链构成（图源：乐晴智库精选）

从核心技术来看，扫地机器人核心竞争力主要体现在地图构建和路径规划能力，软硬件一体的技术，核心技术有激光雷达、机器视觉、SLAM算法、AI算法等，技术壁垒较高。这也是行业中长期竞争的关键壁垒。

图3、扫地机器人核心技术（图源：巨潮商业评论）

从导航技术和自动化程度来看，可类比自动驾驶的L1~L5阶段：

L1：随机碰撞式，通过简单的碰撞传感器达到全屋清扫覆盖（随机路径）；

L2：部分自动化，通过陀螺仪构建地图，实现局部优化，提高清扫效率（惯性导航）；

L3：有条件自动化，通过激光、视觉等传感器数据构建地图，实现全局优化，大幅提高清扫效率和避障能力，同时实现智能处理垃圾，低矮障碍物识别与智能避障；

L4：高度自动化，在L3的基础上加入人工智能算法，建立家庭语义地图和家庭物品语义数据库，提供基于家庭场景理解的全屋智能清洁解决方案与增值服务。

L5：完全自动化，在L4的基础上，实现人机完美交互，建立智能家居物联平台，具备家庭助手的能力。

图4、扫地机器人核心技术（图源：甲子光年）

扫地机器人品牌众多，以其为主营业务的上市公司有三家：科沃斯(SH:603486)、石头科技(SH:688169)、富佳股份(SH:688169)，2020年营收分别是72.34亿、45.30亿和20.95亿；净利润分别同比增长431.22%、74.92%、104.34%；市值分别是880亿、543.5亿和98.73亿（数据截至2021.12.16）。科沃斯也有个别称“扫地茅”，也是iRobot的代工厂；石头科技是小米生态链公司，和云米一起供货小米；富佳股份是戴森的供应商之一。最近扫地机器人在资本市场挺受关注的。从元器件角度来看，对科沃斯、小米、inxni、石头的拆解和分析如下：

图5、科沃斯扫地机器人DG710（图源：电子智造业）

品牌	型号	描述
兆易创新(GIGADEVICE)	GD32F103VGT6	ARM Cortex-M3内核，主频108MHz
新唐(NUVOTON)	ISD2260	3声道数字 ChipCorder 音频芯片
爱普生(EPSON)	RX-8010SJ	低功耗实时时钟模块
乐鑫(ESPRESSIF)	ESP-WROOM-02	WIFI模组
万国(AOS)	AO4459	30V P-Channel功率器件
力兴(LIXING)	CR1220	3V纽扣电池，标准容量38mAh
长电科技(JCET)	D882M	晶体管（NPN），额定功率为1.25W
尼得科(NIDEC)	-	吸力约为1000pa/aw的电机
-	丝印709J060	主涡轮风机座，提供吸力、ZIF接口
-	丝印S.M.C MOTOR	无刷电机，主要负责边刷驱动
比亚迪半导体(BYD)	DM88-BYD	标准电压为12V，额定容量为3000mAh，电芯型号为H-SC3000P，镍氢电池
-	-	红外辅助回充传感器、下视悬崖传感器
-	-	阻容感、WiFi天线、连接器、按键、接口、结构件和紧固件等等

表1、科沃斯扫地机器人DG710部分物料

图6、米家扫拖机器人STYTJ02YM（图源：电子智造业）

品牌	型号	描述
兆易创新(GIGADEVICE)	GD32F103VCT6	ARM Cortex-M3内核，主频108MHz
全志(Allwinner)	R16-J	ARM Cortex-A7架构的四核应用处理器
旺宏(MXIC)	MX30LF2G18AC	2Gb SLC NAND FLASH存储芯片
瑞昱(Realtek)	RTL8189ETV	WIFI芯片，高度集成的802.11n无线LAN（WLAN）单芯片
芯智汇(X-POWERS)	AXP223	高集成度的电源系统管理芯片
安世(NEXPERIA)	74HC14D	触发逆变器
南亚(NANYA)	NT5CC256M16EP-EK	256MB标准型 DRAM DDR3 存储芯片
新洁能(NCE)	NCE30P30K	P沟道功率器件
尼得科(NIDEC)	20N183L010	最强风压约为2100Pa/aw的BLDC电机
-	RP390-ST/24100/DV	边刷电机
比亚迪半导体(BYD)	-	标准电压为14.6V，3200mAh 46.72Wh，锂离子圆柱可充电电池组
-	-	红外接收（沿墙）传感器、360°LDS激光测距传感器及驱动板、下视悬崖传感器、磁感应传感器、在位传感器
-	-	阻容感、WiFi天线、连接器、按键、接口、1W喇叭、结构件和紧固件等等

表2、米家扫拖机器人STYTJ02YM部分物料

图7、inxni机器人（图源：sanghua拆机）

品牌	型号	描述
意法半导体(ST)	STM32F103C8T6	MCU
-	9806	六键感应芯片
天微(TM)	TM1668	LED灯的驱动芯片
亚德诺(ADI)	ADSP-BF514	400 MHz主频Blackfin处理器，负责数据处理，完成激光探测器构建图，机器人的运动，程序的执行等
意法半导体(ST)	STM8S105	微处理器，红外数据处理
华邦(WINBOND)	W9825G6KH-6	256Mb SDRAM
-	丝印3995EVT	高精度电机控制芯片
恩智浦(NXP)	LPC1114F	嵌入式微处理器
美满(MARVELL)	Avastar 88W8782	高集成度的无线局域网(WLAN)系统级芯片(SoC)
华邦(WINBOND)	W25Q64FVSIG	8MB SERIAL FLASH MEMORY
-	-	边刷电机，通过控制电压电流控制转速；滚刷电机；双精度电机，驱动轮电机
-	-	吸尘电机，通过涡轮增压的方式形成吸力，进而实现吸尘
比亚迪半导体(BYD)	LI-026148-BYD	标准电压为14.6V，2600mAh 38~48Wh，锂离子可充电电池组
-	-	碰撞传感器2、激光传感器、激光探测器、分离开关模块、红外测距传感器3
-	-	钽电容、铝聚合电容、铁素电感、电量计、阻容感、陶瓷天线、连接器、按键、接口、结构件和紧固件等等

表3、 inxni机器人部分物料

、

图8、石头扫地机器人T6（图源：小米智能生态）

品牌	型号	描述
意法半导体(ST)	STM32F102xx	MCU
全志(Allwinner)	R16	ARM Cortex-A7架构的四核应用处理器
-	-	存储芯片、无线通讯芯片等
芯智汇(X-POWERS)	AXP223	高集成度的电源系统管理芯片
-	RS445-ST/2580	滚刷电机，多种转速控制
标准电机(STANDARD MOTOR)	RC500-KW/15410/DV	边刷电机，多种转速控制
万宝至(MABUCHI)	RF-500TB-14350	激光头驱动电机
尼得科(NIDEC)	20N704P200	30.5mm 2000pa的大扭力BLDC电机
博世(BOSCH)	-	陀螺仪
可天士(KODENSHI)	-	沿墙传感器
-	丝印VL2053	LDS激光测距传感器？
德赛(DESAY)	BRR-2P4S-5200D	5200mAh 14.4V大容量电池，提供74.88Wh能量
-	-	激光头驱动板、前红外传感器、跌落传感器、水箱和尘盒在位传感器、风机转速传感器、悬崖传感器、回充传感器、碰撞传感器、激光头压力传感器、电子罗盘
-	-	阻容感、通讯天线、连接器、按键、接口、喇叭、结构件和紧固件等等

表4 、石头扫地机器人T6部分物料

虽然以上四款扫地机器人的BOM List不能代表整个产业，但我们还是能得到一些选型参考：吸尘电机更青睐尼得科(NIDEC)；边刷、行动轮、滚刷、激光头等电机的选择会更多：万宝至(MABUCHI)、标准电机(STANDARD MOTOR)或无牌国产电机。电机主控32位嵌入式MCU就够用，例如高通、意法半导体、兆易创新等，导航主控涉及路径规划和处理，通常选择自带算法的全志、瑞芯微等，搭配测距芯片或模组，例如PerceptIn、Indemind、速感科技、诠视科技、黑眸科技、远行时空、瑞盟、信泰光学、思岚科技、镭神智能、YDLIDAR等，我们看到国产芯片和解决方案是被全球市场所认可的。还有一点，扫地机器人用了32位嵌入式MCU，该料去年至今缺货涨价的行情没有改变。去年以来，“深圳某扫地机器人公司董事长蹲守上游供应链厂商打地铺抢货”的事例在行业里广为流传，而且并非个案。在芯片选型或产品设计阶段，从成本、采购稳定性、器件替代等方全盘考虑，在核心技术上取得突破和创新，也就大大增加了突破重围的市场机会。