TRIZ理論在無人機造型創新設計中的運用

（南昌航空大學 330063）

TRIZ理論為各行各業的創新發展提供了通用方法，任何矛盾都可以嘗試用此理論來解決。近年來，無人機運用的領域越來越多，為野外航拍、巡邏安保、農業種植、地理測繪等行業帶來高效的工作方式，無人機科技公司都在加緊對產品的創新研發，然而自主研發難度大，受思維固化的影響，短時間內實現技術突破的可能性非常小，將TRIZ運用于無人機造型設計中，在原有的基礎上尋求突破，可以設計出一款輕巧便攜且性能良好的小型無人機。

一、TRIZ理論

TRIZ理論的中文翻譯是“發明問題解決理論”，我們用“萃智”或“粹思”來稱呼他，由前蘇聯發明專家阿奇舒勒G·S·Altshuller提出的，主要用于解決發明創造問題的理論。阿奇舒勒為首的專家們對全世界各國共250萬份發明專利進行分析后，提出了一套較成熟的多種問題解決途徑和方法，冷戰結束后，西方國家才有機會學到這一理論，美國也開始TRIZ相關的研究，隨后在全世界范圍內掀起了TRIZ研究的熱潮，許多國際公司，例如麥肯錫咨詢公司、韓國三星公司等都因使用TRIZ理論為公司帶來上百萬的利潤。經過60年的不斷發展完善，TRIZ理論形成了39個主要工程參數，并把39個參數分為改善的參數和惡化的參數，總結出40條解決沖突的創新原理。近年來，TRIZ理論的應用研究受到廣泛關注，研究領域主要在工程技術、專利管理領域，對無人機領域的應用較少。

（一）TRIZ的理論體系

TRIZ的理論體系主要包括三個部分：一個技術系統進化法則，四個分析工具（矛盾矩陣圖分析、物－場分析、需求功能分析、ARIZ算法）和三個知識庫（40條發明原理、76個標準解和效應知識庫）組成的。在解決一個發明問題時，需要用上述的一個工具或者更多。

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

2.技術沖突解決原理。TRIZ用來研究技術與物理兩種沖突。其中的技術沖突是指在產品設計中，如果用已知的方法，去改善系統的一部分，另一個部分就會變壞，這時問題解決者就需要克服技術矛盾。物理沖突就是向體系的同一物體，提出了相互對立的要求。問題解決者通過40個發明原理解決沖突。

3.物質—場分析。物-場分析是其他TRIZ工具的輔助工具，“物質”一詞表達具有靜質量的離散事物。它可以是氣態、液態、固態和等離子態的。在標準解或ARIZ中，“物質”被認為是材料組件或材料組件的組合。“場”在技術系統的組件（或“物質”）之間起傳遞作用。“物場”是構成所有復雜系統的“最小技術系統”，使用它可以描述任何復雜的技術系統。所有的功能可分解為三個要素，物體S1，作用體S2和場F，三者缺一不可。物質—場模型見圖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—場模型

4.技術系統的進化趨勢。從一個足夠長的時間跨度看某個技術系統的重要系統特征的發展的話，他的發展將呈現出一個形如“S”的曲線，這條曲線稱為“技術系統生命周期”，分為嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期四個階段。

5.ARIZ。ARIZ是發明問題解決算法，是TRIZ的核心分析工具，是解決發明問題的一套完整算法。它的基礎是：首先有一個基礎問題，然后將其轉化為技術矛盾，然后再將這個技術矛盾轉化為物理矛盾，如果問題解決了，下一步就進行概念驗證。

TRIZ理論認為不同的發明創造往往遵循著共同的，且為數不多的原理、規律或法則。這里主要研究TRIZ理論在無人機外觀造型中的應用。

（二）應用TRIZ理論解決問題的過程

1.將發現的問題做分析，將問題轉化為一個發明問題；

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

3.結合問題產生的領域，由發明原理得到概念方案。

二、無人機造型的發展

無人機誕生于一戰期間的英國，而1919年德國魏瑪包豪斯學校開始開設工業設計課程，距今也有一百年的歷史。在這一百年的歷史中，工業設計對無人機造型的發展產生了重要的影響。

最初的無人機造型并沒有進行專門的設計，后來逐漸加入了大飛機的造型特點。隨著現代設計技術的發展，飛行器設計制造過程中廣泛使用計算機輔助設計，使研發設計效率大大提升，設計和生產過程更加方便，設計成本大幅降低。隨著空氣動力學的發展，越來越多外觀新穎的無人機出現在大眾視野內。特別是仿生無人機的產生，仿生無人機是設計人員從鳥類、昆蟲、海豚、蜻蜓等動物形態中汲取靈感研發出來的飛行器。撲翼無人機是TRIZ理論和仿生造型設計應用的一個經典案例，旋翼無人機在城市飛行面臨重重困難，因為城市里的高樓大廈間空氣流動性強，會產生很大的亂流。通過研究人員的觀察，發現鴿子在城市中飛行具有隨意性，而且非常穩定。由此而發，他們仿照鴿子的形態研制了一款撲翼無人機，它不僅能夠自由起飛、降落、滑翔，還有著極佳的空氣動力學形態，機翼的結構模仿鳥類的翅膀進行上下撲打，還能扭轉一定的角度。

三、TRIZ理論在無人機造型設計上的應用

TRIZ理論提供了形成創新的通用方法和工具，同樣，在無人機造型設計上也可以與TRIZ創新理論相結合。

中國深圳大疆創新科技有限公司成立于2006年，有多年航拍無人機技術積累和經驗豐富的研發團隊，該公司發布的多款航拍無人機廣受業界好評，在2019年十月份發布的御MAVIC MINI小型無人機以小巧輕便、簡潔好用為特點，是TRIZ理論在無人機造型設計上的一個應用案例。

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

（二）小型航拍無人機的關鍵技術性能。攜帶輕便、堅固穩定、長續航、圖像采集。因此，在這款無人機造型設計時要重點解決以下幾個問題：減少重量的同時保持原有的性能；體積變小后在高空飛行，有較好的穩定性；還要滿足良好的圖像信息采集能力的需求。

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

表1 矛盾分析示意圖

根據技術性能重要度以及矛盾示意圖中對應的TRIZ發明原理，得出最重要的問題是續航和機器重量增加，在無人機續航時間增加的同時電池容量也會增加，整機重量也會增加，此問題可轉化為“15 運動物體作用時間”和“1 運動物體的重量”這組技術沖突，得到的沖突矩陣發明原理是：19，5，34，31。其次，整機重量的增加會導致無人機體積增加，此問題可轉化為“15 運動物體作用時間”和“7 運動物體的體積”之間的技術沖突，得到的TRIZ發明原理：10，2，19，30。無人機便攜需求和抗風力下降相矛盾，將問題轉化為“2 靜止物體的體積”和“13穩定性”的技術沖突，得到的發明原理有：28，34，35，40。

（四）選擇適用的發明原理。對上述得到的TRIZ發明原理進行整理分析，在每一組技術沖突中，參考用戶需求權重，選取其中最合適的發明原理：5，28，進行無人機造型創新設計。應用的原理內容是：

（5）組合 ①將同質或做相近作業的物體組合；②將相同性質的作業在同一時間組合。

（28）替代機械系統 a.用光學、聲學或嗅覺系統代替機械系統；b.使用電場或電磁場與物體相互作用；c.替代場：c1.可變場變為靜態場，c2.固定場變為與隨時間變化的可動場，c3.隨機場與恒定場相取代。

（五）解決方案。根據創新原理5和28給出的啟示，綜合考慮后得到小型無人機造型創新設計方案。為解決無人機續航與重量增加的矛盾，所采用的發明原理5提出組合的方法，由此想到將無人機散熱風扇與槳葉相結合，去掉散熱風扇，利用槳葉風力來散熱，經過無數次模擬飛行，取得關鍵空氣動力數據后，再重新開始設計導流槽，帶走熱量。

圖2 無人機下方散熱氣流圖

如圖2所示，當無人機懸停時，通過機身正下方產生槳的反向氣流，吹向機身底部的散熱器，同時，留出進氣和出氣的風道，實現等效風機的對流散熱效果。在飛行器向前飛行時，將前飛的空氣灌入云臺后的通道，同時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力下降的矛盾沖突中，所采用的發明原理是28機械系統的替代，因此研究人員在研究“風”的同時也在研究“電”，重新設計了無刷電機，分析出最合適御MAVIC MINI的最低功耗，最終使無人機在最大四級強風的情況下續航時間也能達到30分鐘，同時為用戶帶來穩定的航拍圖像。

四、結語

本文構建了基于TRIZ理論的無人機產品造型創新設計方法，并以小型航拍無人機御MAVIC Mini為案例進行分析。在無人機造型設計中，根據具體需求和應用場景、用戶特點，使用TRIZ創新原理，為無人機企業減少研發成本，避免了使用其他的工具中邏輯的錯誤，使設計的步驟和效率有了顯著的改善。