農用無人機飛行控制中的英語語言理解名詞匯聚

張 倩

(洛陽理工學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

無人機是一種無人駕駛的可重復使用飛行器系統，包括飛行平臺、地面控制站、通訊設備和其它部件。不同類型無人機的主要區別在飛行平臺上，可以分為固定翼和旋翼兩種：固定翼無人機出現得相對較早；旋翼無人機出現稍晚，設計更為成熟，技術水平更高。旋翼無人機不需要滑跑距離，能夠垂直起降，這種能力賦予了旋翼無人機更強的機動性，在設計難度和負載能力上也體現出明顯優勢[1]。旋翼無人機在近些年發展迅速，廣泛應用于工業、農業和軍事領域，在農業領域用于農藥噴灑、信息監測及農業保險勘察等，成為農業現代化和智能化的重要部分[2-4]。

農用無人機在飛行作業中會受到天氣條件和載荷變化的影響，不能保持穩定的飛行高度、速度和姿態，導致實際航線與規劃航線之間存在偏差。航線偏離不僅降低無人機作業質量，還會增加燃料消耗，航程也相應縮短，從而影響到作業效率。因此，在規劃合理航線的基礎上，還要對農用無人機的飛行狀態進行準確的控制，才能保證無人機按照規劃的航線飛行，發揮出最大的效能。飛行控制能力是無人機的重要性能指標，對作業效率、質量及成本都有著直接影響。最初的無人機由人工控制，技術難度較大，操作人員容易出現反應滯后的問題，控制的精度也不理想。后來，人們引入多種新型技術和設備，為無人機自主飛行控制系統的設計奠定了基礎。

無人機自主飛行控制系統是一種集導航、飛行控制和任務管理于一體的綜合系統，可以控制無人機自動起飛，按照規劃航線完成作業，最后控制無人機自動著陸[5]。自主飛行控制系統具有指令接收、飛行控制、狀態監測和遙控遙感等多種功能，需要強大的數據處理和計算能力作為支持，對硬件設備也提出了更高的要求。

受質量和體積限制，農用無人機上的各種設備正在向小型化和智能化發展，對性能的要求也日益提高。傳統的PC機質量和體積太大，外圍接口繁多，不利于應用在無人機上。隨著技術的進步，各種單片機、PSD、嵌入式芯片和DSP實現了小型化，計算性能也得到了大幅提升。研究人員以這些設備為核心，設計小型自主飛行控制系統，在無人機上取得了理想的應用效果[6-9]。除了小型化和智能化，可靠性也是農用無人機飛行控制系統的重要指標。劉歌群等引入避錯和容錯升級思想，采用新的設計思路、保證措施和自檢方案，提高了飛行控制系統的可靠性[10]。

無人機自主飛行控制是一項智能控制和飛行控制深入結合的綜合性技術，匯集了相關領域的最新研究思想，主要的挑戰在于面對未知飛行條件時如何實時自主地做出決策。無人機的飛行過程包括起飛、巡航和著陸，可能會出現環境快速變化的情況，都是自主飛行須要面對的問題。受技術水平的制約，目前的自主飛行控制系統大多只能實現相對穩定環境下的自主或半自主控制，快速變化或者不確定環境下的完全自主控制還沒有實現[11]。因此，增強系統的魯棒性、容錯性、智能性和自適應性是解決上述問題的有效途徑，自然語言理解可以作為這個目標的技術基礎。

語言理解的通俗解釋是讓計算機理解語言所要表達的意思，即利用計算機對語言的音、形、義這3種形式的信息進行處理，可以具體表現為對字、詞、句、篇章的輸入、輸出、識別、分析和理解，并最終形成可以執行的操作。語言理解是一項綜合了語言學、計算機科學、邏輯學和人工智能等學科的技術，具有廣泛的用途，目前主要用于機械設計制造方面的模型重建[12-13]。

名詞是人類語言中種類和數量最多的詞類，表達的內容也最為豐富，在語句中占據了所有的6種句法位置。因此，深入分析名詞的知識和內涵，總結名詞語義分類在語言理解篇章分析中的要點，可以為篇章的理解提供有力支持[14]。費小棟將語言理解中的名詞匯聚應用于機械產品設計的需求分析，把結果轉化為設計要求和參數，增加了后續設計的合理性[15]。農業無人機飛行控制所涉及的數據眾多，程序復雜，在接受飛行指令至執行控制操作的過程中，自然語言理解發揮著紐帶作用，名詞的匯聚分析也必不可少。因此，本文研究英語語言理解在農業拍攝無人機飛行控制中的應用，并對其中的名詞匯聚進行重點分析，以提高農業無人機控制的精確程度，實現自主飛行。

1 設備和程序

飛行平臺為大疆Phantom 4 Advanced型四旋翼無人機，質量5kg，續航時間30min，采用GPS/GLONASS雙模式定位，可以用于農田信息監測。地面站安裝大疆DJIGS Pro專業版軟件，用于設計無人機的飛行路線，控制飛行速度和高度。無人機飛行控制系統采用閉環結構，以PC-104總線的Intel586工控計算機為核心。PC-104計算機的體積、質量和功耗都很小，可靠性高，能夠滿足無人機的要求。英語語言理解也是由PC-104計算機完成，語言理解軟件為visual C++程序，在Windows10操作系統的環境中運行。

2 語言理解和名詞匯聚

2.1 語言理解

英語語言理解分為口語的理解和書面語的理解。本文中是書面語理解，即將英文單詞輸入計算機，通過分析后被計算機讀懂并做出回應。英語語言理解就是建立一種計算模型，計算機收到語言后便能依據這個模型給出相應的回答。英語語言在外形上是一連串的字母符號，而在內部則是層次化的結構，因此英語語言理解也是層次化的過程。根據當前的主流觀點，英語語言理解的過程可以按照層次依次劃分為詞法分析、句法分析、語義分析和篇章分析。

詞法分析是語言理解的基礎，即將語句分解成基本的單詞，分析獲得它們的語言學信息，進行詞義的切分、選擇和糾錯。句法分析針對的是英語語句和短語的結構，找出語句中詞和短語之間的關系及各自的作用。句法分析目前是語言理解的重點，通過對語句層次結構的分析表達，為語義分析提供條件。句義是由詞義組成的，但不是詞義的簡單疊加，還受到語句結構的影響。語義分析就是找出詞義與句義的關系，確定其所要表達的真正含義。篇章分析超出語句的層次，結合上下文對語義進行分析。篇章分析既要關聯上下文，又要考慮具體的語境，以超出語句的語言單位為分析對象。

2.2 名詞匯聚

無人機飛行控制中的名詞主要為各種部件結構、性能參數、環境條件和控制動作等，對它們進行匯聚的依據包括從屬關系、具體抽象關系、整體部分關系等，這些關系是后續語義分析的重要參考。英語名詞匯聚的實質是闡明篇章中概念主體之間的關系，形成由篇章實體概念組成的樹狀層次結構。

語言理解程序完成了對名詞語義信息和關系的處理后，以此為基礎按照名詞概念關系進行名詞匯聚，形成用于表達篇章核心思想的名詞。大致的步驟為：首先根據概念與屬性關系匯聚，然后根據概念與外延繼承關系匯聚，最后根據概念間動態關系將概念聯系起來，如圖1所示。

圖1 英語名詞匯聚流程

在上述過程中，一般采用靜態名詞模板分析概念從屬關系和屬性關系，根據靜態名詞事實分析各個主體的屬性關系。對于屬性的合并，需要選擇對象相同的屬性，分析概念從屬關系，從而保留具體的概念。

3 控制功能

無人機的飛行控制代碼用英語編寫，相關參數設定和飛行操作指令都用英語表達。英語語言理解程序可以對語句進行語義分析，理解指令的含義后輸出信號實現控制功能。本文分析語言理解名詞匯聚在無人機狀態監測、定位導航和姿態控制中的作用。

無人機飛行狀態是定位導航和姿態控制的參考依據，監測的內容包括：垂直陀螺儀監測俯仰和傾斜姿態，角速度傳感器監測三軸姿態加速度，高度空速傳感器監測氣壓高度和線速度，磁向傳感器監測在當前坐標系中的航向。

地面站規劃無人機的航線，并在起飛后接收定位信號進行分析，計算出實際航線偏離規劃航線的情況，然后根據無人機所處環境和飛行狀態發出航線調整指令；無人機飛行姿態控制設備接收指令后執行相應的動作，實現對航線的調整。

姿態控制是改變無人機飛行的方向和速度，方向控制裝置為升降舵、方向舵和副翼舵，在3臺舵機的驅動下進行偏轉以改變飛行方向，速度的大小則由發動機及其轉速控制器聯合控制。

無人機這3種控制功能所需部件繁多，種類復雜，對執行的精確性有很高的要求，因此名詞匯聚對控制程序的編寫和執行非常重要。3種控制功能的代表性名詞如表1所示，其類型以普通名詞和事件名詞為主。

表1 不同控制功能的代表性名詞

4 試驗結果和分析

在5級風速的氣象條件下驗證這種飛行控制方法的效果，無人機在一個水稻種植區上空飛行，進行農田信息的監測。規劃的無人機航線為橢圓形，長軸50m，短軸40m。設定飛行高度10m，飛行期間每隔10s記錄1次實際航線與規劃航線的偏離值、實際高度與設定高度的偏離值，評價飛行控制的精確度。

試驗結果如圖2所示。在理想的環境下，農用無人機可以按照預定的方案飛行，航線和高度的偏差很小。突然出現的陣風導致無人機飛行的偏差增大，但是飛行控制系統做出反應，控制無人機快速回歸到設定的航線和高度上來。試驗結果表明：這種飛行控制方法具有很好的精確度，可以賦予農業無人機自主飛行的能力。

5 結論

研究了英語語言理解在農業無人機飛行控制中的應用，并對名詞匯聚進行重點分析。文中列舉了無人機狀態監測、定位導航和姿態控制這3種控制功能的代表性名詞，名詞類型以普通名詞和事件名詞為主。這種方法可以控制無人機按照預定的航線和高度飛行，能對陣風做出反應，使無人機快速回歸到設定的航線和高度上來。因此，英語語言理解名詞匯聚可以提高農用無人機控制的精確程度，有助于實現自主飛行。