基于TRIZ理論預(yù)測慣性技術(shù)發(fā)展方向

劉玉霞 張鵬

摘 要：文中介紹了TRIZ創(chuàng)新理論體系;在回顧慣性傳感器的發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，指出慣性技術(shù)發(fā)展遵循TRIZ理論技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式和法則。最后，基于TRIZ理論，展望了未來慣性技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：慣性技術(shù);TRIZ理論;光纖陀螺;微機(jī)械陀螺

慣性技術(shù)是慣性傳感器、慣性導(dǎo)航及慣性測量等技術(shù)的統(tǒng)稱，它采用慣性傳感器（包括陀螺儀和加速度計(jì)）來測量運(yùn)載體相對慣性空間的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)，從而解算出載體的姿態(tài)和位置。由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是目前唯一同時(shí)具備完全自主，強(qiáng)抗干擾性，導(dǎo)航信息全面、實(shí)時(shí)且連續(xù)等重要特性，所以在國防科學(xué)技術(shù)中占有非常重要的地位。TRIZ理論是在對數(shù)萬專利文獻(xiàn)搜集、整理、歸納、提煉基礎(chǔ)上建立的解決發(fā)明問題的一整套方法理論體系; TRIZ理論可以預(yù)測技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化規(guī)律和發(fā)展趨勢。因此，基于TRIZ理論預(yù)測慣性技術(shù)發(fā)展方向具有一定意義。

1? TRIZ理論概述

1.1 TRIZ理論定義

國際著名的TRIZ專家，Savransky博士給出了TRIZ的定義：是基于知識(shí)的、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)化的方法學(xué)。TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化共同模式和規(guī)律，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。

1.2 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則

TRIZ理論揭示了技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化法則：

（1） 技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化是沿著固—液—?dú)狻獔龅姆较虬l(fā)展;

（2） 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化應(yīng)該沿著結(jié)構(gòu)柔性、可移動(dòng)性、可控性增加方向發(fā)展;

（3） 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化沿著單系統(tǒng)—雙系統(tǒng)—多系統(tǒng)方向發(fā)展;

（4） 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化總是沿著減小其尺寸的方向發(fā)展。技術(shù)系統(tǒng)從宏觀到微觀;元件尺寸向原子、基本粒子尺寸進(jìn)化;向高效場和增加效率方向發(fā)展;

（5） 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化遵循動(dòng)態(tài)性、微觀級、協(xié)調(diào)性、超系統(tǒng)和提高理想度等法則。

2? 慣性傳感器的發(fā)展歷程符合TRIZ進(jìn)化法則

2.1 陀螺儀

陀螺儀自1910年首次用于船載指北陀螺羅經(jīng)以來，已有100多年的發(fā)展史。其發(fā)展過程大致分為4個(gè)階段。

第一階段是機(jī)械式框架陀螺，由滾珠軸承支承高速旋轉(zhuǎn)的陀螺馬達(dá)、機(jī)械式內(nèi)、外框架、控制伺服系統(tǒng)等組成，核心工作原理是高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的定軸性和進(jìn)動(dòng)性。該階段陀螺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積重量大，工作壽命短，能耗大，精度低。

第二階段是20世紀(jì)40年代末到50年代初發(fā)展的液浮和氣浮陀螺，利用液體浮力或磁力，平衡內(nèi)、外框重力，達(dá)到減小陀螺內(nèi)、外環(huán)軸向摩擦力，減小陀螺漂移，提高陀螺儀精度的目的。技術(shù)發(fā)展完全符合TRIZ理論“固—液—場”技術(shù)發(fā)展模式。

第三階段是20世紀(jì)60年代以后發(fā)展的撓性陀螺，是一種撓性接頭支撐的自由轉(zhuǎn)子陀螺。撓性陀螺的撓性接頭替代了框架式陀螺的內(nèi)、外環(huán)結(jié)構(gòu)，從根本上解決了內(nèi)、外環(huán)軸摩擦力引起的陀螺漂移，大大提高了陀螺精度。與框架式陀螺相比，撓性陀螺具有結(jié)構(gòu)簡單，啟動(dòng)快，功耗低，精度高，體積小的優(yōu)點(diǎn)。解決問題的方法完全符合TRIZ理論從根本上解決系統(tǒng)技術(shù)矛盾的思想。

目前陀螺的發(fā)展已進(jìn)入第四個(gè)階段，主要典型的有靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺和微機(jī)械陀螺，該階段陀螺技術(shù)符合TRIZ理論技術(shù)發(fā)展進(jìn)入“場”模式。

靜電陀螺是利用高壓靜電場支撐球形轉(zhuǎn)子，可大大降低陀螺干擾力矩。1963年美國Honeywell研制核潛艇用靜電陀螺監(jiān)控器，其隨機(jī)漂移降低到10-4（°）/h以下。但靜電陀螺結(jié)構(gòu)與制造工藝復(fù)雜，成本高，一般僅用于潛艇等高價(jià)值運(yùn)載體上。

激光陀螺工作原理是Sagnac效應(yīng)，采用諧振式方案。激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)于20世紀(jì)中期在飛機(jī)和導(dǎo)彈上試驗(yàn)成功，導(dǎo)航精度達(dá)1 n mile/h左右。目前，激光陀螺發(fā)展已十分成熟。

光纖陀螺工作原理也是Sagnac效應(yīng)。相比于激光陀螺，光纖陀螺在小型化、低功耗、長壽命、高可靠性、快速啟動(dòng)、批量化生產(chǎn)等方面更有優(yōu)勢，所以其發(fā)展相當(dāng)迅速。從20世紀(jì)90年代起，0.1（°）/h的中精度干涉型光纖陀螺已投入批量生產(chǎn)。2003年9月， Honeywell的高性能慣性參考系統(tǒng)所采用的光纖陀螺據(jù)稱是當(dāng)時(shí)能夠產(chǎn)品化、性能最好的陀螺，其隨機(jī)游走<0.0001（°）/ ，零偏穩(wěn)定性 <0.0003（°）/h。

微機(jī)械陀螺的理論基礎(chǔ)是哥氏效應(yīng)，因其體積、功耗、質(zhì)量都較小，且成本低、易批量生產(chǎn)，將逐步成為低精度陀螺的主流產(chǎn)品之一。日本村田制作所于1995年研制的諧振式微機(jī)械陀螺儀，輸出靈敏度為50mV/（?）s。

2.2 加速度計(jì)

加速度計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了擺式加速度計(jì)、撓性加速度計(jì)、振梁式加速度計(jì)等。目前應(yīng)用較多的是撓性加速度計(jì)、液浮擺式加速度計(jì)和靜電加速度計(jì)。

近代光纖傳感、MEMS等新技術(shù)和不斷出現(xiàn)的新型材料的應(yīng)用出現(xiàn)了多種實(shí)用的光纖加速度計(jì)、微加速度計(jì)。國內(nèi)外都將微加速度計(jì)開發(fā)作為MEMS 技術(shù)產(chǎn)品化的優(yōu)先項(xiàng)目。

加速度計(jì)的發(fā)展符合TRIZ理論技術(shù)向液態(tài)、場方向發(fā)展，體積、功耗逐步減小，性能、可靠性逐步提高。

3 TRIZ理論預(yù)測慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向

隨著慣性傳感器的不斷發(fā)展，在不同重大需求牽引下，慣性技術(shù)將向以下幾個(gè)方面發(fā)展：

（1）向高精度、高可靠性方向發(fā)展

向“場”方向發(fā)展，靜電陀螺儀，由于其高精度和可靠性，在潛艇及航母等需要高精度的場合仍將獲得廣泛應(yīng)用。激光陀螺和光纖陀螺，是目前最具發(fā)展前景的陀螺儀。由于光纖陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潛力，光纖陀螺將代替激光陀螺。

（2） 向多模式組合導(dǎo)航方向發(fā)展

為解決慣性導(dǎo)航誤差隨時(shí)間積累的問題，慣性/衛(wèi)星、慣性/地磁組合導(dǎo)航也將是未來慣性技術(shù)發(fā)展方向之一。組合導(dǎo)航的研究將以高動(dòng)態(tài)、高精度、高可靠性為背景，著重解決衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、深組合、系統(tǒng)集成及優(yōu)化技術(shù)，提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)在惡劣條件下的生存能力和系統(tǒng)精度。

（3） 向小型化、低成本方向發(fā)展

向“微觀級”方向發(fā)展，微機(jī)械陀螺儀，目前雖然精度低，但低廉的價(jià)格使其具有廣闊的應(yīng)用前景;硅微機(jī)械加速度計(jì)，具有成本低、可靠性高、尺寸小、質(zhì)量輕和可批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，在軍民兩用中有巨大的潛力。小型、低成本MEMS慣性器件及系統(tǒng)是未來中低精度慣性技術(shù)的主要發(fā)展方向。

4 結(jié)論

慣性技術(shù)發(fā)展遵循TRIZ理論技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式和法則，慣性技術(shù)按照“固—液—?dú)狻獔觥卑l(fā)展模式，向“微觀級”、“場”方向進(jìn)化，朝著小型化、數(shù)字化、智能化、低成本、高可靠性方向發(fā)展。

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作者簡介：

劉玉霞（1981—），性別：女，學(xué)位：博士，職稱：高級工程師，研究方向：慣性導(dǎo)航/組合導(dǎo)航。