基于TRIZ理論預測慣性技術發展方向

劉玉霞 張鵬

摘 要：文中介紹了TRIZ創新理論體系;在回顧慣性傳感器的發展歷程的基礎上，指出慣性技術發展遵循TRIZ理論技術系統進化模式和法則。最后，基于TRIZ理論，展望了未來慣性技術的發展方向。

關鍵詞：慣性技術;TRIZ理論;光纖陀螺;微機械陀螺

慣性技術是慣性傳感器、慣性導航及慣性測量等技術的統稱，它采用慣性傳感器（包括陀螺儀和加速度計）來測量運載體相對慣性空間的角運動和線運動，從而解算出載體的姿態和位置。由于慣性導航系統是目前唯一同時具備完全自主，強抗干擾性，導航信息全面、實時且連續等重要特性，所以在國防科學技術中占有非常重要的地位。TRIZ理論是在對數萬專利文獻搜集、整理、歸納、提煉基礎上建立的解決發明問題的一整套方法理論體系; TRIZ理論可以預測技術系統的進化規律和發展趨勢。因此，基于TRIZ理論預測慣性技術發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：是基于知識的、面向人的發明問題解決系統化的方法學。TRIZ理論成功地揭示了創造發明的內在規律和原理、技術系統進化共同模式和規律，著力于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。

1.2 技術系統進化法則

TRIZ理論揭示了技術系統的進化法則：

（1） 技術系統的進化是沿著固—液—氣—場的方向發展;

（2） 技術系統進化應該沿著結構柔性、可移動性、可控性增加方向發展;

（3） 技術系統進化沿著單系統—雙系統—多系統方向發展;

（4） 技術系統進化總是沿著減小其尺寸的方向發展。技術系統從宏觀到微觀;元件尺寸向原子、基本粒子尺寸進化;向高效場和增加效率方向發展;

（5） 技術系統進化遵循動態性、微觀級、協調性、超系統和提高理想度等法則。

2? 慣性傳感器的發展歷程符合TRIZ進化法則

2.1 陀螺儀

陀螺儀自1910年首次用于船載指北陀螺羅經以來，已有100多年的發展史。其發展過程大致分為4個階段。

第一階段是機械式框架陀螺，由滾珠軸承支承高速旋轉的陀螺馬達、機械式內、外框架、控制伺服系統等組成，核心工作原理是高速旋轉轉子的定軸性和進動性。該階段陀螺結構復雜，體積重量大，工作壽命短，能耗大，精度低。

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

第三階段是20世紀60年代以后發展的撓性陀螺，是一種撓性接頭支撐的自由轉子陀螺。撓性陀螺的撓性接頭替代了框架式陀螺的內、外環結構，從根本上解決了內、外環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，撓性陀螺具有結構簡單，啟動快，功耗低，精度高，體積小的優點。解決問題的方法完全符合TRIZ理論從根本上解決系統技術矛盾的思想。

目前陀螺的發展已進入第四個階段，主要典型的有靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺和微機械陀螺，該階段陀螺技術符合TRIZ理論技術發展進入“場”模式。

靜電陀螺是利用高壓靜電場支撐球形轉子，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控器，其隨機漂移降低到10-4（°）/h以下。但靜電陀螺結構與制造工藝復雜，成本高，一般僅用于潛艇等高價值運載體上。

激光陀螺工作原理是Sagnac效應，采用諧振式方案。激光陀螺捷聯慣導系統于20世紀中期在飛機和導彈上試驗成功，導航精度達1 n mile/h左右。目前，激光陀螺發展已十分成熟。

光纖陀螺工作原理也是Sagnac效應。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、批量化生產等方面更有優勢，所以其發展相當迅速。從20世紀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。2003年9月， Honeywell的高性能慣性參考系統所采用的光纖陀螺據稱是當時能夠產品化、性能最好的陀螺，其隨機游走<0.0001（°）/ ，零偏穩定性 <0.0003（°）/h。

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

2.2 加速度計

加速度計的發展經歷了擺式加速度計、撓性加速度計、振梁式加速度計等。目前應用較多的是撓性加速度計、液浮擺式加速度計和靜電加速度計。

近代光纖傳感、MEMS等新技術和不斷出現的新型材料的應用出現了多種實用的光纖加速度計、微加速度計。國內外都將微加速度計開發作為MEMS 技術產品化的優先項目。

加速度計的發展符合TRIZ理論技術向液態、場方向發展，體積、功耗逐步減小，性能、可靠性逐步提高。

3 TRIZ理論預測慣性導航技術的發展方向

隨著慣性傳感器的不斷發展，在不同重大需求牽引下，慣性技術將向以下幾個方面發展：

（1）向高精度、高可靠性方向發展

向“場”方向發展，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用。激光陀螺和光纖陀螺，是目前最具發展前景的陀螺儀。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） 向多模式組合導航方向發展

為解決慣性導航誤差隨時間積累的問題，慣性/衛星、慣性/地磁組合導航也將是未來慣性技術發展方向之一。組合導航的研究將以高動態、高精度、高可靠性為背景，著重解決衛星導航抗干擾、動態響應、深組合、系統集成及優化技術，提高組合導航系統在惡劣條件下的生存能力和系統精度。

（3） 向小型化、低成本方向發展

向“微觀級”方向發展，微機械陀螺儀，目前雖然精度低，但低廉的價格使其具有廣闊的應用前景;硅微機械加速度計，具有成本低、可靠性高、尺寸小、質量輕和可批量生產的優點，在軍民兩用中有巨大的潛力。小型、低成本MEMS慣性器件及系統是未來中低精度慣性技術的主要發展方向。

4 結論

慣性技術發展遵循TRIZ理論技術系統進化模式和法則，慣性技術按照“固—液—氣—場”發展模式，向“微觀級”、“場”方向進化，朝著小型化、數字化、智能化、低成本、高可靠性方向發展。

參考文獻：

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作者簡介：

劉玉霞（1981—），性別：女，學位：博士，職稱：高級工程師，研究方向：慣性導航/組合導航。