TRIZ理論在無人機(jī)造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

（南昌航空大學(xué) 330063）

TRIZ理論為各行各業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了通用方法，任何矛盾都可以嘗試用此理論來解決。近年來，無人機(jī)運(yùn)用的領(lǐng)域越來越多，為野外航拍、巡邏安保、農(nóng)業(yè)種植、地理測(cè)繪等行業(yè)帶來高效的工作方式，無人機(jī)科技公司都在加緊對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)，然而自主研發(fā)難度大，受思維固化的影響，短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的可能性非常小，將TRIZ運(yùn)用于無人機(jī)造型設(shè)計(jì)中，在原有的基礎(chǔ)上尋求突破，可以設(shè)計(jì)出一款輕巧便攜且性能良好的小型無人機(jī)。

一、TRIZ理論

TRIZ理論的中文翻譯是“發(fā)明問題解決理論”，我們用“萃智”或“粹思”來稱呼他，由前蘇聯(lián)發(fā)明專家阿奇舒勒G·S·Altshuller提出的，主要用于解決發(fā)明創(chuàng)造問題的理論。阿奇舒勒為首的專家們對(duì)全世界各國(guó)共250萬份發(fā)明專利進(jìn)行分析后，提出了一套較成熟的多種問題解決途徑和方法，冷戰(zhàn)結(jié)束后，西方國(guó)家才有機(jī)會(huì)學(xué)到這一理論，美國(guó)也開始TRIZ相關(guān)的研究，隨后在全世界范圍內(nèi)掀起了TRIZ研究的熱潮，許多國(guó)際公司，例如麥肯錫咨詢公司、韓國(guó)三星公司等都因使用TRIZ理論為公司帶來上百萬的利潤(rùn)。經(jīng)過60年的不斷發(fā)展完善，TRIZ理論形成了39個(gè)主要工程參數(shù)，并把39個(gè)參數(shù)分為改善的參數(shù)和惡化的參數(shù)，總結(jié)出40條解決沖突的創(chuàng)新原理。近年來，TRIZ理論的應(yīng)用研究受到廣泛關(guān)注，研究領(lǐng)域主要在工程技術(shù)、專利管理領(lǐng)域，對(duì)無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用較少。

（一）TRIZ的理論體系

TRIZ的理論體系主要包括三個(gè)部分：一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，四個(gè)分析工具（矛盾矩陣圖分析、物－場(chǎng)分析、需求功能分析、ARIZ算法）和三個(gè)知識(shí)庫(kù)（40條發(fā)明原理、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解和效應(yīng)知識(shí)庫(kù)）組成的。在解決一個(gè)發(fā)明問題時(shí)，需要用上述的一個(gè)工具或者更多。

1.矛盾分析。在產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段都可使用TRIZ理論，首先必須運(yùn)用該理論進(jìn)行矛盾分析，TRIZ中的矛盾有3種：管理矛盾、技術(shù)矛盾和物理矛盾，其中管理矛盾的深層原因是技術(shù)矛盾。

2.技術(shù)沖突解決原理。TRIZ用來研究技術(shù)與物理兩種沖突。其中的技術(shù)沖突是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如果用已知的方法，去改善系統(tǒng)的一部分，另一個(gè)部分就會(huì)變壞，這時(shí)問題解決者就需要克服技術(shù)矛盾。物理沖突就是向體系的同一物體，提出了相互對(duì)立的要求。問題解決者通過40個(gè)發(fā)明原理解決沖突。

3.物質(zhì)—場(chǎng)分析。物-場(chǎng)分析是其他TRIZ工具的輔助工具，“物質(zhì)”一詞表達(dá)具有靜質(zhì)量的離散事物。它可以是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)和等離子態(tài)的。在標(biāo)準(zhǔn)解或ARIZ中，“物質(zhì)”被認(rèn)為是材料組件或材料組件的組合?！皥?chǎng)”在技術(shù)系統(tǒng)的組件（或“物質(zhì)”）之間起傳遞作用?！拔飯?chǎng)”是構(gòu)成所有復(fù)雜系統(tǒng)的“最小技術(shù)系統(tǒng)”，使用它可以描述任何復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)。所有的功能可分解為三個(gè)要素，物體S1，作用體S2和場(chǎng)F，三者缺一不可。物質(zhì)—場(chǎng)模型見圖1，可以理解為：能量F作用于工具S2，使S2變換為S1。

圖1 物質(zhì)—場(chǎng)模型

4.技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化趨勢(shì)。從一個(gè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間跨度看某個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的重要系統(tǒng)特征的發(fā)展的話，他的發(fā)展將呈現(xiàn)出一個(gè)形如“S”的曲線，這條曲線稱為“技術(shù)系統(tǒng)生命周期”，分為嬰兒期、成長(zhǎng)期、成熟期和衰退期四個(gè)階段。

5.ARIZ。ARIZ是發(fā)明問題解決算法，是TRIZ的核心分析工具，是解決發(fā)明問題的一套完整算法。它的基礎(chǔ)是：首先有一個(gè)基礎(chǔ)問題，然后將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)矛盾，然后再將這個(gè)技術(shù)矛盾轉(zhuǎn)化為物理矛盾，如果問題解決了，下一步就進(jìn)行概念驗(yàn)證。

TRIZ理論認(rèn)為不同的發(fā)明創(chuàng)造往往遵循著共同的，且為數(shù)不多的原理、規(guī)律或法則。這里主要研究TRIZ理論在無人機(jī)外觀造型中的應(yīng)用。

（二）應(yīng)用TRIZ理論解決問題的過程

1.將發(fā)現(xiàn)的問題做分析，將問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)發(fā)明問題；

2.根據(jù)TRIZ理論提供的39個(gè)通用工程參數(shù)，將發(fā)明問題“翻譯”成通用工程參數(shù)，然后從矛盾矩陣表中改善的參數(shù)和惡化的參數(shù)相交的單元格中找到建議的發(fā)明原理；

3.結(jié)合問題產(chǎn)生的領(lǐng)域，由發(fā)明原理得到概念方案。

二、無人機(jī)造型的發(fā)展

無人機(jī)誕生于一戰(zhàn)期間的英國(guó)，而1919年德國(guó)魏瑪包豪斯學(xué)校開始開設(shè)工業(yè)設(shè)計(jì)課程，距今也有一百年的歷史。在這一百年的歷史中，工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)無人機(jī)造型的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。

最初的無人機(jī)造型并沒有進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，后來逐漸加入了大飛機(jī)的造型特點(diǎn)。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，飛行器設(shè)計(jì)制造過程中廣泛使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，使研發(fā)設(shè)計(jì)效率大大提升，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程更加方便，設(shè)計(jì)成本大幅降低。隨著空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，越來越多外觀新穎的無人機(jī)出現(xiàn)在大眾視野內(nèi)。特別是仿生無人機(jī)的產(chǎn)生，仿生無人機(jī)是設(shè)計(jì)人員從鳥類、昆蟲、海豚、蜻蜓等動(dòng)物形態(tài)中汲取靈感研發(fā)出來的飛行器。撲翼無人機(jī)是TRIZ理論和仿生造型設(shè)計(jì)應(yīng)用的一個(gè)經(jīng)典案例，旋翼無人機(jī)在城市飛行面臨重重困難，因?yàn)槌鞘欣锏母邩谴髲B間空氣流動(dòng)性強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生很大的亂流。通過研究人員的觀察，發(fā)現(xiàn)鴿子在城市中飛行具有隨意性，而且非常穩(wěn)定。由此而發(fā)，他們仿照鴿子的形態(tài)研制了一款撲翼無人機(jī)，它不僅能夠自由起飛、降落、滑翔，還有著極佳的空氣動(dòng)力學(xué)形態(tài)，機(jī)翼的結(jié)構(gòu)模仿鳥類的翅膀進(jìn)行上下?lián)浯?，還能扭轉(zhuǎn)一定的角度。

三、TRIZ理論在無人機(jī)造型設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

TRIZ理論提供了形成創(chuàng)新的通用方法和工具，同樣，在無人機(jī)造型設(shè)計(jì)上也可以與TRIZ創(chuàng)新理論相結(jié)合。

中國(guó)深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司成立于2006年，有多年航拍無人機(jī)技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)豐富的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，該公司發(fā)布的多款航拍無人機(jī)廣受業(yè)界好評(píng)，在2019年十月份發(fā)布的御MAVIC MINI小型無人機(jī)以小巧輕便、簡(jiǎn)潔好用為特點(diǎn)，是TRIZ理論在無人機(jī)造型設(shè)計(jì)上的一個(gè)應(yīng)用案例。

（一）背景。近年來，無人機(jī)航拍成為越來越多攝影愛好者的選擇，但因?yàn)楹脚臒o人機(jī)的體積都有些大，外出拍攝需要攜帶一個(gè)收納包裝無人機(jī)、遙控器及電池等配件，航拍愛好者希望市面上有一臺(tái)能裝進(jìn)口袋的航拍小飛機(jī)。

（二）小型航拍無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)性能。攜帶輕便、堅(jiān)固穩(wěn)定、長(zhǎng)續(xù)航、圖像采集。因此，在這款無人機(jī)造型設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)解決以下幾個(gè)問題：減少重量的同時(shí)保持原有的性能；體積變小后在高空飛行，有較好的穩(wěn)定性；還要滿足良好的圖像信息采集能力的需求。

（三）解決思路和關(guān)鍵步驟。根據(jù)上述問題描述，反映在39個(gè)通用工程參數(shù)上獲取矛盾。利用矛盾矩陣圖提出方案，通過分析結(jié)果選擇相應(yīng)方案，矛盾分析示意圖如表1所示。

表1 矛盾分析示意圖

根據(jù)技術(shù)性能重要度以及矛盾示意圖中對(duì)應(yīng)的TRIZ發(fā)明原理，得出最重要的問題是續(xù)航和機(jī)器重量增加，在無人機(jī)續(xù)航時(shí)間增加的同時(shí)電池容量也會(huì)增加，整機(jī)重量也會(huì)增加，此問題可轉(zhuǎn)化為“15 運(yùn)動(dòng)物體作用時(shí)間”和“1 運(yùn)動(dòng)物體的重量”這組技術(shù)沖突，得到的沖突矩陣發(fā)明原理是：19，5，34，31。其次，整機(jī)重量的增加會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)體積增加，此問題可轉(zhuǎn)化為“15 運(yùn)動(dòng)物體作用時(shí)間”和“7 運(yùn)動(dòng)物體的體積”之間的技術(shù)沖突，得到的TRIZ發(fā)明原理：10，2，19，30。無人機(jī)便攜需求和抗風(fēng)力下降相矛盾，將問題轉(zhuǎn)化為“2 靜止物體的體積”和“13穩(wěn)定性”的技術(shù)沖突，得到的發(fā)明原理有：28，34，35，40。

（四）選擇適用的發(fā)明原理。對(duì)上述得到的TRIZ發(fā)明原理進(jìn)行整理分析，在每一組技術(shù)沖突中，參考用戶需求權(quán)重，選取其中最合適的發(fā)明原理：5，28，進(jìn)行無人機(jī)造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)。應(yīng)用的原理內(nèi)容是：

（5）組合 ①將同質(zhì)或做相近作業(yè)的物體組合；②將相同性質(zhì)的作業(yè)在同一時(shí)間組合。

（28）替代機(jī)械系統(tǒng) a.用光學(xué)、聲學(xué)或嗅覺系統(tǒng)代替機(jī)械系統(tǒng)；b.使用電場(chǎng)或電磁場(chǎng)與物體相互作用；c.替代場(chǎng)：c1.可變場(chǎng)變?yōu)殪o態(tài)場(chǎng)，c2.固定場(chǎng)變?yōu)榕c隨時(shí)間變化的可動(dòng)場(chǎng)，c3.隨機(jī)場(chǎng)與恒定場(chǎng)相取代。

（五）解決方案。根據(jù)創(chuàng)新原理5和28給出的啟示，綜合考慮后得到小型無人機(jī)造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。為解決無人機(jī)續(xù)航與重量增加的矛盾，所采用的發(fā)明原理5提出組合的方法，由此想到將無人機(jī)散熱風(fēng)扇與槳葉相結(jié)合，去掉散熱風(fēng)扇，利用槳葉風(fēng)力來散熱，經(jīng)過無數(shù)次模擬飛行，取得關(guān)鍵空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)后，再重新開始設(shè)計(jì)導(dǎo)流槽，帶走熱量。

圖2 無人機(jī)下方散熱氣流圖

如圖2所示，當(dāng)無人機(jī)懸停時(shí)，通過機(jī)身正下方產(chǎn)生槳的反向氣流，吹向機(jī)身底部的散熱器，同時(shí)，留出進(jìn)氣和出氣的風(fēng)道，實(shí)現(xiàn)等效風(fēng)機(jī)的對(duì)流散熱效果。在飛行器向前飛行時(shí)，將前飛的空氣灌入云臺(tái)后的通道，同時(shí)配合螺旋槳形成的氣流，起到輔助散熱的作用。

在解決方便攜帶和抗風(fēng)力下降的矛盾沖突中，所采用的發(fā)明原理是28機(jī)械系統(tǒng)的替代，因此研究人員在研究“風(fēng)”的同時(shí)也在研究“電”，重新設(shè)計(jì)了無刷電機(jī)，分析出最合適御MAVIC MINI的最低功耗，最終使無人機(jī)在最大四級(jí)強(qiáng)風(fēng)的情況下續(xù)航時(shí)間也能達(dá)到30分鐘，同時(shí)為用戶帶來穩(wěn)定的航拍圖像。

四、結(jié)語

本文構(gòu)建了基于TRIZ理論的無人機(jī)產(chǎn)品造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，并以小型航拍無人機(jī)御MAVIC Mini為案例進(jìn)行分析。在無人機(jī)造型設(shè)計(jì)中，根據(jù)具體需求和應(yīng)用場(chǎng)景、用戶特點(diǎn)，使用TRIZ創(chuàng)新原理，為無人機(jī)企業(yè)減少研發(fā)成本，避免了使用其他的工具中邏輯的錯(cuò)誤，使設(shè)計(jì)的步驟和效率有了顯著的改善。