基于TRIZ理论预测惯性技术发展方向
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摘 要：文中介绍了TRIZ创新理论体系;在回顾惯性传感器的发展历程的基础上，指出惯性技术发展遵循TRIZ理论技术系统进化模式和法则。最后，基于TRIZ理论，展望了未来惯性技术的发展方向。
关键词：惯性技术;TRIZ理论;光纤陀螺;微机械陀螺
惯性技术是惯性传感器、惯性导航及惯性测量等技术的统称，它采用惯性传感器（包括陀螺仪和加速度计）来测量运载体相对惯性空间的角运动和线运动，从而解算出载体的姿态和位置。由于惯性导航系统是目前唯一同时具备完全自主，强抗干扰性，导航信息全面、实时且连续等重要特性，所以在国防科学技术中占有非常重要的地位。TRIZ理论是在对数万专利文献搜集、整理、归纳、提炼基础上建立的解决发明问题的一整套方法理论体系; TRIZ理论可以预测技术系统的进化规律和发展趋势。因此，基于TRIZ理论预测惯性技术发展方向具有一定意义。
1 TRIZ理论概述
1.1 TRIZ理论定义
国际著名的TRIZ专家，Savransky博士给出了TRIZ的定义：是基于知识的、面向人的发明问题解决系统化的方法学。TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理、技术系统进化共同模式和规律，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。
1.2 技术系统进化法则
TRIZ理论揭示了技术系统的进化法则：
（1） 技术系统的进化是沿着固—液—气—场的方向发展;
（2） 技术系统进化应该沿着结构柔性、可移动性、可控性增加方向发展;
（3） 技术系统进化沿着单系统—双系统—多系统方向发展;
（4） 技术系统进化总是沿着减小其尺寸的方向发展。技术系统从宏观到微观;元件尺寸向原子、基本粒子尺寸进化;向高效场和增加效率方向发展;
（5） 技术系统进化遵循动态性、微观级、协调性、超系统和提高理想度等法则。
2 惯性传感器的发展历程符合TRIZ进化法则
2.1 陀螺仪
陀螺仪自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，已有100多年的发展史。其发展过程大致分为4个阶段。
第一阶段是机械式框架陀螺，由滚珠轴承支承高速旋转的陀螺马达、机械式内、外框架、控制伺服系统等组成，核心工作原理是高速旋转转子的定轴性和进动性。该阶段陀螺结构复杂，体积重量大，工作寿命短，能耗大，精度低。
第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展的液浮和气浮陀螺，利用液体浮力或磁力，平衡内、外框重力，达到减小陀螺内、外环轴向摩擦力，减小陀螺漂移，提高陀螺仪精度的目的。技术发展完全符合TRIZ理论“固—液—场”技术发展模式。
第三阶段是20世纪60年代以后发展的挠性陀螺，是一种挠性接头支撑的自由转子陀螺。挠性陀螺的挠性接头替代了框架式陀螺的内、外环结构，从根本上解决了内、外环轴摩擦力引起的陀螺漂移，大大提高了陀螺精度。与框架式陀螺相比，挠性陀螺具有结构简单，启动快，功耗低，精度高，体积小的优点。解决问题的方法完全符合TRIZ理论从根本上解决系统技术矛盾的思想。
目前陀螺的发展已进入第四个阶段，主要典型的有静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺，该阶段陀螺技术符合TRIZ理论技术发展进入“场”模式。
静电陀螺是利用高压静电场支撑球形转子，可大大降低陀螺干扰力矩。1963年美国Honeywell研制核潜艇用静电陀螺监控器，其随机漂移降低到10-4（°）/h以下。但静电陀螺结构与制造工艺复杂，成本高，一般仅用于潜艇等高价值运载体上。
激光陀螺工作原理是Sagnac效应，采用谐振式方案。激光陀螺捷联惯导系统于20世纪中期在飞机和导弹上试验成功，导航精度达1 n mile/h左右。目前，激光陀螺发展已十分成熟。
光纤陀螺工作原理也是Sagnac效应。相比于激光陀螺，光纤陀螺在小型化、低功耗、长寿命、高可靠性、快速启动、批量化生产等方面更有优势，所以其发展相当迅速。从20世纪90年代起，0.1（°）/h的中精度干涉型光纤陀螺已投入批量生产。2003年9月， Honeywell的高性能惯性参考系统所采用的光纤陀螺据称是当时能够产品化、性能最好的陀螺，其随机游走<0.0001（°）/ ，零偏稳定性 <0.0003（°）/h。
微机械陀螺的理论基础是哥氏效应，因其体积、功耗、质量都较小，且成本低、易批量生产，将逐步成为低精度陀螺的主流产品之一。日本村田制作所于1995年研制的谐振式微机械陀螺仪，输出灵敏度为50mV/（?）s。
2.2 加速度计
加速度计的发展经历了摆式加速度计、挠性加速度计、振梁式加速度计等。目前应用较多的是挠性加速度计、液浮摆式加速度计和静电加速度计。
近代光纤传感、MEMS等新技术和不断出现的新型材料的应用出现了多种实用的光纤加速度计、微加速度计。国内外都将微加速度计开发作为MEMS 技术产品化的优先项目。
加速度计的发展符合TRIZ理论技术向液态、场方向发展，体积、功耗逐步减小，性能、可靠性逐步提高。
3 TRIZ理论预测惯性导航技术的发展方向
随着惯性传感器的不断发展，在不同重大需求牵引下，惯性技术将向以下几个方面发展：
（1）向高精度、高可靠性方向发展
向“场”方向发展，静电陀螺仪，由于其高精度和可靠性，在潜艇及航母等需要高精度的场合仍将获得广泛应用。激光陀螺和光纤陀螺，是目前最具发展前景的陀螺仪。由于光纤陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潜力，光纤陀螺将代替激光陀螺。
（2） 向多模式组合导航方向发展
为解决惯性导航误差随时间积累的问题，惯性/卫星、惯性/地磁组合导航也将是未来惯性技术发展方向之一。组合导航的研究将以高动态、高精度、高可靠性为背景，着重解决卫星导航抗干扰、动态响应、深组合、系统集成及优化技术，提高组合导航系统在恶劣条件下的生存能力和系统精度。
（3） 向小型化、低成本方向发展
向“微观级”方向发展，微机械陀螺仪，目前虽然精度低，但低廉的价格使其具有广阔的应用前景;硅微机械加速度计，具有成本低、可靠性高、尺寸小、质量轻和可批量生产的优点，在军民两用中有巨大的潛力。小型、低成本MEMS惯性器件及系统是未来中低精度惯性技术的主要发展方向。
4 结论
惯性技术发展遵循TRIZ理论技术系统进化模式和法则，惯性技术按照“固—液—气—场”发展模式，向“微观级”、“场”方向进化，朝着小型化、数字化、智能化、低成本、高可靠性方向发展。
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作者简介：
刘玉霞（1981—），性别：女，学位：博士，职称：高级工程师，研究方向：惯性导航/组合导航。
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