TRIZ理论在无人机造型创新设计中的运用

（南昌航空大学 330063）

TRIZ理论为各行各业的创新发展提供了通用方法，任何矛盾都可以尝试用此理论来解决。近年来，无人机运用的领域越来越多，为野外航拍、巡逻安保、农业种植、地理测绘等行业带来高效的工作方式，无人机科技公司都在加紧对产品的创新研发，然而自主研发难度大，受思维固化的影响，短时间内实现技术突破的可能性非常小，将TRIZ运用于无人机造型设计中，在原有的基础上寻求突破，可以设计出一款轻巧便携且性能良好的小型无人机。

一、TRIZ理论

TRIZ理论的中文翻译是“发明问题解决理论”，我们用“萃智”或“粹思”来称呼他，由前苏联发明专家阿奇舒勒G·S·Altshuller提出的，主要用于解决发明创造问题的理论。阿奇舒勒为首的专家们对全世界各国共250万份发明专利进行分析后，提出了一套较成熟的多种问题解决途径和方法，冷战结束后，西方国家才有机会学到这一理论，美国也开始TRIZ相关的研究，随后在全世界范围内掀起了TRIZ研究的热潮，许多国际公司，例如麦肯锡咨询公司、韩国三星公司等都因使用TRIZ理论为公司带来上百万的利润。经过60年的不断发展完善，TRIZ理论形成了39个主要工程参数，并把39个参数分为改善的参数和恶化的参数，总结出40条解决冲突的创新原理。近年来，TRIZ理论的应用研究受到广泛关注，研究领域主要在工程技术、专利管理领域，对无人机领域的应用较少。

（一）TRIZ的理论体系

TRIZ的理论体系主要包括三个部分：一个技术系统进化法则，四个分析工具（矛盾矩阵图分析、物－场分析、需求功能分析、ARIZ算法）和三个知识库（40条发明原理、76个标准解和效应知识库）组成的。在解决一个发明问题时，需要用上述的一个工具或者更多。

1.矛盾分析。在产品生命周期的各个阶段都可使用TRIZ理论，首先必须运用该理论进行矛盾分析，TRIZ中的矛盾有3种：管理矛盾、技术矛盾和物理矛盾，其中管理矛盾的深层原因是技术矛盾。

2.技术冲突解决原理。TRIZ用来研究技术与物理两种冲突。其中的技术冲突是指在产品设计中，如果用已知的方法，去改善系统的一部分，另一个部分就会变坏，这时问题解决者就需要克服技术矛盾。物理冲突就是向体系的同一物体，提出了相互对立的要求。问题解决者通过40个发明原理解决冲突。

3.物质—场分析。物-场分析是其他TRIZ工具的辅助工具，“物质”一词表达具有静质量的离散事物。它可以是气态、液态、固态和等离子态的。在标准解或ARIZ中，“物质”被认为是材料组件或材料组件的组合。“场”在技术系统的组件（或“物质”）之间起传递作用。“物场”是构成所有复杂系统的“最小技术系统”，使用它可以描述任何复杂的技术系统。所有的功能可分解为三个要素，物体S1，作用体S2和场F，三者缺一不可。物质—场模型见图1，可以理解为：能量F作用于工具S2，使S2变换为S1。

图1 物质—场模型

4.技术系统的进化趋势。从一个足够长的时间跨度看某个技术系统的重要系统特征的发展的话，他的发展将呈现出一个形如“S”的曲线，这条曲线称为“技术系统生命周期”，分为婴儿期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段。

5.ARIZ。ARIZ是发明问题解决算法，是TRIZ的核心分析工具，是解决发明问题的一套完整算法。它的基础是：首先有一个基础问题，然后将其转化为技术矛盾，然后再将这个技术矛盾转化为物理矛盾，如果问题解决了，下一步就进行概念验证。

TRIZ理论认为不同的发明创造往往遵循着共同的，且为数不多的原理、规律或法则。这里主要研究TRIZ理论在无人机外观造型中的应用。

（二）应用TRIZ理论解决问题的过程

1.将发现的问题做分析，将问题转化为一个发明问题；

2.根据TRIZ理论提供的39个通用工程参数，将发明问题“翻译”成通用工程参数，然后从矛盾矩阵表中改善的参数和恶化的参数相交的单元格中找到建议的发明原理；

3.结合问题产生的领域，由发明原理得到概念方案。

二、无人机造型的发展

无人机诞生于一战期间的英国，而1919年德国魏玛包豪斯学校开始开设工业设计课程，距今也有一百年的历史。在这一百年的历史中，工业设计对无人机造型的发展产生了重要的影响。

最初的无人机造型并没有进行专门的设计，后来逐渐加入了大飞机的造型特点。随着现代设计技术的发展，飞行器设计制造过程中广泛使用计算机辅助设计，使研发设计效率大大提升，设计和生产过程更加方便，设计成本大幅降低。随着空气动力学的发展，越来越多外观新颖的无人机出现在大众视野内。特别是仿生无人机的产生，仿生无人机是设计人员从鸟类、昆虫、海豚、蜻蜓等动物形态中汲取灵感研发出来的飞行器。扑翼无人机是TRIZ理论和仿生造型设计应用的一个经典案例，旋翼无人机在城市飞行面临重重困难，因为城市里的高楼大厦间空气流动性强，会产生很大的乱流。通过研究人员的观察，发现鸽子在城市中飞行具有随意性，而且非常稳定。由此而发，他们仿照鸽子的形态研制了一款扑翼无人机，它不仅能够自由起飞、降落、滑翔，还有着极佳的空气动力学形态，机翼的结构模仿鸟类的翅膀进行上下扑打，还能扭转一定的角度。

三、TRIZ理论在无人机造型设计上的应用

TRIZ理论提供了形成创新的通用方法和工具，同样，在无人机造型设计上也可以与TRIZ创新理论相结合。

中国深圳大疆创新科技有限公司成立于2006年，有多年航拍无人机技术积累和经验丰富的研发团队，该公司发布的多款航拍无人机广受业界好评，在2019年十月份发布的御MAVIC MINI小型无人机以小巧轻便、简洁好用为特点，是TRIZ理论在无人机造型设计上的一个应用案例。

（一）背景。近年来，无人机航拍成为越来越多摄影爱好者的选择，但因为航拍无人机的体积都有些大，外出拍摄需要携带一个收纳包装无人机、遥控器及电池等配件，航拍爱好者希望市面上有一台能装进口袋的航拍小飞机。

（二）小型航拍无人机的关键技术性能。携带轻便、坚固稳定、长续航、图像采集。因此，在这款无人机造型设计时要重点解决以下几个问题：减少重量的同时保持原有的性能；体积变小后在高空飞行，有较好的稳定性；还要满足良好的图像信息采集能力的需求。

（三）解决思路和关键步骤。根据上述问题描述，反映在39个通用工程参数上获取矛盾。利用矛盾矩阵图提出方案，通过分析结果选择相应方案，矛盾分析示意图如表1所示。

表1 矛盾分析示意图

根据技术性能重要度以及矛盾示意图中对应的TRIZ发明原理，得出最重要的问题是续航和机器重量增加，在无人机续航时间增加的同时电池容量也会增加，整机重量也会增加，此问题可转化为“15 运动物体作用时间”和“1 运动物体的重量”这组技术冲突，得到的冲突矩阵发明原理是：19，5，34，31。其次，整机重量的增加会导致无人机体积增加，此问题可转化为“15 运动物体作用时间”和“7 运动物体的体积”之间的技术冲突，得到的TRIZ发明原理：10，2，19，30。无人机便携需求和抗风力下降相矛盾，将问题转化为“2 静止物体的体积”和“13稳定性”的技术冲突，得到的发明原理有：28，34，35，40。

（四）选择适用的发明原理。对上述得到的TRIZ发明原理进行整理分析，在每一组技术冲突中，参考用户需求权重，选取其中最合适的发明原理：5，28，进行无人机造型创新设计。应用的原理内容是：

（5）组合 ①将同质或做相近作业的物体组合；②将相同性质的作业在同一时间组合。

（28）替代机械系统 a.用光学、声学或嗅觉系统代替机械系统；b.使用电场或电磁场与物体相互作用；c.替代场：c1.可变场变为静态场，c2.固定场变为与随时间变化的可动场，c3.随机场与恒定场相取代。

（五）解决方案。根据创新原理5和28给出的启示，综合考虑后得到小型无人机造型创新设计方案。为解决无人机续航与重量增加的矛盾，所采用的发明原理5提出组合的方法，由此想到将无人机散热风扇与桨叶相结合，去掉散热风扇，利用桨叶风力来散热，经过无数次模拟飞行，取得关键空气动力数据后，再重新开始设计导流槽，带走热量。

图2 无人机下方散热气流图

如图2所示，当无人机悬停时，通过机身正下方产生桨的反向气流，吹向机身底部的散热器，同时，留出进气和出气的风道，实现等效风机的对流散热效果。在飞行器向前飞行时，将前飞的空气灌入云台后的通道，同时配合螺旋桨形成的气流，起到辅助散热的作用。

在解决方便携带和抗风力下降的矛盾冲突中，所采用的发明原理是28机械系统的替代，因此研究人员在研究“风”的同时也在研究“电”，重新设计了无刷电机，分析出最合适御MAVIC MINI的最低功耗，最终使无人机在最大四级强风的情况下续航时间也能达到30分钟，同时为用户带来稳定的航拍图像。

四、结语

本文构建了基于TRIZ理论的无人机产品造型创新设计方法，并以小型航拍无人机御MAVIC Mini为案例进行分析。在无人机造型设计中，根据具体需求和应用场景、用户特点，使用TRIZ创新原理，为无人机企业减少研发成本，避免了使用其他的工具中逻辑的错误，使设计的步骤和效率有了显著的改善。