基于英語語言理解的農(nóng)機自動導航研究

杜 堃，蘇 倩

(河北能源職業(yè)技術學院，河北 唐山 063000)

0 引言

隨著時代的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式發(fā)生轉變，土地逐漸向種植大戶和農(nóng)業(yè)科技公司等經(jīng)營主體集中。在這種形勢下，大面積的連片農(nóng)田數(shù)量日益增多，有利于土地的集中管理，也推動了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術的大規(guī)模應用。新的模式需要新的生產(chǎn)方式與之相適應，傳統(tǒng)的作業(yè)方式導致效率降低和成本升高，無法體現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的優(yōu)越性。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容之一，農(nóng)田的集中連片和規(guī)模化經(jīng)營為農(nóng)業(yè)機械的應用提供了條件和空間。我國農(nóng)業(yè)機械的起步較晚，但是發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)機械化率在近些年得到了迅速提升，水稻、玉米和小麥這3大糧食作物的生產(chǎn)更是實現(xiàn)了全程機械化。目前的問題是機械化程度受自然條件影響較大，部分地區(qū)的機械化普及率還不高，機械的性能水平也有待進一步加強。因此，增強農(nóng)業(yè)機械的適應性，提高自動化水平，對我國農(nóng)業(yè)的長遠發(fā)展具有重要意義。

精準農(nóng)業(yè)是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢，推動著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向科學化管理轉變，對農(nóng)業(yè)機械也提出了新的要求。自動導航是農(nóng)業(yè)機械自動化和智能化的重要體現(xiàn)，可以降低機械操作的人力成本，提高土地利用率[1-2]。農(nóng)機自動導航研究始于20世紀80年代，在計算機視覺和衛(wèi)星導航技術的支撐下，由最初的農(nóng)機無人駕駛發(fā)展到后來的路線精確控制，作業(yè)范圍也擴大到播種、施肥、噴藥、整地和起壟等[3-4]。當前，部分大型機械實現(xiàn)了計算機視覺和衛(wèi)星導航，不僅具有更高的作業(yè)效率，也使土地得到了充分利用[5]。

衛(wèi)星導航和計算機視覺導航是農(nóng)機導航最常用的方式。衛(wèi)星導航通過電子地圖和衛(wèi)星信號進行定位導航，比較成熟的系統(tǒng)包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和中國的北斗[6]。我國較早使用的GPS為民用級，定位誤差大，使用成本也較高。同時，核心技術由國外開發(fā)掌握，對其嚴重依賴造成了一定的壟斷格局，不能作為我國農(nóng)機自動導航的理想選擇。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由我國自行開發(fā)，掌握核心技術和自主產(chǎn)權，經(jīng)過升級后的定位精度達到1m，已經(jīng)在我國廣袤的土地上體現(xiàn)出巨大的應用價值[7]。計算機視覺是在20世紀80年代誕生的，在農(nóng)業(yè)上最初用于輔助機器人采摘水果，后來發(fā)展到農(nóng)業(yè)機械的自動導航方面，利用其視覺功能識別機械的行走路徑和檢測障礙物[8]。計算機視覺的局限性在于環(huán)境光照強度的變化會對圖像質(zhì)量造成干擾，進而影響目標特征的提取分析效果。

現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)機械已經(jīng)取得了長足的進步，自動化和智能化成為新的發(fā)展目標。一般的研究都是針對農(nóng)機單個性能，若要實現(xiàn)農(nóng)機整體性能的提升，則必須采用新型技術。語言理解是一種主動性的信息處理技術，可以應用在農(nóng)業(yè)機械的控制方面，成為整合機械各個系統(tǒng)的有力工具。

語言能夠表達特定的含義，是人類進行學習和交流的載體。語言理解是利用計算機處理語言的音、形和義，對字、詞、句和篇章進行輸入、輸出、識別、分析和理解，最終產(chǎn)生相應的操作指令[9]。語言理解是一門新興的學科，內(nèi)容涉及語言學、邏輯學、計算機科學和數(shù)學等，因此也是一門交叉學科。語言理解的層次由淺至深依次為詞法分析、句法分析、語義分析和篇章分析，最終目的包括理解輸入的語言信息及對輸入信息的概括復述。目前，語言理解主要應用在機械設計制造方面，是模擬分析和工序建模的基礎[10-12]。

英語的語法簡單，語感自然，是世界上應用最廣泛的語言。英語的基本單元為26個字母，能組成大量的單詞。英語單詞根據(jù)各種語法進一步組合成不同的語句，能表達極為豐富的內(nèi)容，這些特性賦予了英語在機械設計和控制方面的優(yōu)越性。因此，研究英語語言理解對農(nóng)業(yè)機械的控制作用，既能吸收國外先進技術改善我國農(nóng)業(yè)機械性能，又能提高我國成熟機械在國際市場的適應性。本文對英語語言理解在農(nóng)機自動導航中的應用進行研究，分析多種類型單詞在農(nóng)機路線規(guī)劃、速度控制和方向控制環(huán)節(jié)中的語義，用以提高我國農(nóng)業(yè)機械的自動化水平。

1 硬件設備與語言理解流程

1.1 計算機和農(nóng)機設備

語言理解的計算機為戴爾I4200型臺式電腦，配置包括Intel i6處理器、6GB內(nèi)存和1TB的硬盤。計算機中安裝Visual C++軟件執(zhí)行英語語言理解功能，在Windows10系統(tǒng)的環(huán)境中運行。農(nóng)業(yè)機械平臺為福田雷沃M1200-D型拖拉機，采用七頻天線接收北斗信號實現(xiàn)定位導航。衛(wèi)星信號分析由中海達公司的導航終端完成，可以實現(xiàn)厘米級的導航精度。拖拉機的自動行駛單元包括電子元件、執(zhí)行部件和測量傳感器，可以執(zhí)行轉向、變速、離合和剎車等操作。

1.2 語言理解流程

根據(jù)結構特點，英語語言理解可以概括為詞法分析、句法分析、語義分析和篇章分析。詞法分析是在語法的基礎上，將輸入到系統(tǒng)中的單詞按照農(nóng)機自動導航的各個功能進行分類，選擇最合適的詞義。經(jīng)過分類和選擇的單詞意義之間具有多種組合，只有少數(shù)的組合能夠正確表達語義，其它的組合則由后續(xù)的糾錯功能處理。詞法分析完成后形成單句，進入句法分析的環(huán)節(jié)，即確定語句的合理性及單詞在農(nóng)機自動控制中的功能。句法分析之后，正確語句可以產(chǎn)生合適的表示，并經(jīng)過多類處理和規(guī)范化后作為語義分析的基礎。

語義分析是依次分析語句中的單詞、短語和整句的語義，從而獲得語句所要表達的內(nèi)容。語義分析是語言理解的核心和難點，準確的語義分析對獲得語句結構意義和結合意義都至關重要。語義分析包含對各種單詞的分析和聚類，單詞分析聚類成功后便進入篇章分析環(huán)節(jié)。篇章分析是提升語義分析的層次，結合上下文來獲得語義。篇章分析可以細分為篇章分析和語用分析，前者側重上下文的聯(lián)系，后者側重對語境的理解。篇章分析和語用分析相互聯(lián)系，最終獲得用于農(nóng)機自動導航的信息指令。在語義分析或篇章分析失敗的情況下，語言理解過程自動返回句法分析步驟上，按照新的詞義組合重新分析，如圖1所示。

圖1 英語語言理解的流程Fig.1 Flow path of English language understanding

2 單詞聚類

語義分析是語言理解的核心和難點，而單詞聚類是語義理解的主要內(nèi)容。本文中的聚類以農(nóng)機自動導航中相關概念的內(nèi)涵和外延為依據(jù)，將內(nèi)涵相近或相關的離散概念匯聚起來。聚類的單詞類型有名詞、動詞、介詞、副詞等，它們都有著各自的功能。例如，名詞聚類用以確定語言的主體，動詞聚類用于描述主體的活動內(nèi)容。

名詞在英語各類單詞中的數(shù)量最多，還占據(jù)了多種句法位置。農(nóng)機自動導航的名詞聚類要先建立相關的名詞知識庫，如路線規(guī)劃、速度控制和方向控制的相關主體，如表1所示。知識庫中的名詞主體屬性包含概念和內(nèi)核格式，用以推導主體的其它屬性。

表1 自動導航的名詞模板Table 1 Noun template of automatic navigation

農(nóng)機自動導航由接收指令、語言理解和執(zhí)行操作3個動態(tài)環(huán)節(jié)組成，又包含若干子程序。知識庫中的動詞在事件上存在聯(lián)系，并且按照順序進行聚類，可以描述農(nóng)機各個部件的運行動作及動態(tài)過程，如表2所示。

表2 自動導航的動詞模板Table 2 Verb template of automatic navigation

介詞不能獨立使用，是一種位于名詞性單詞之前的定位附屬詞，用來限定名詞性單詞與其它單詞在時間或方位上的關系。介詞在農(nóng)機自動導航中用于約束各個動態(tài)過程的條件，使語言理解能夠獲得準確的結果，如表3所示。

表3 自動導航的介詞模板Table 3 Preposition template of automatic navigation

副詞是修飾性的單詞，對象為動詞和形容詞，用來對程度、時間、范圍等因素進行限制。副詞在農(nóng)機自動導航中可以更準確地描述指令接收和操作執(zhí)行的環(huán)境條件，在程度、時間、范圍上提高語言理解的準確性，如表4所示。

表4 自動導航的副詞模板Table 4 Adverb template of automatic navigation

3 控制功能

基于英語語言理解的農(nóng)機自動導航是接收并理解操作者輸入的信息，根據(jù)單詞聚類設置環(huán)境條件，推理得到操作指令并進行相應的控制操作。語言理解以動詞聚類為基礎，針對各個功能依次建立獨特的自動導航動詞概念從屬樹、過程樹事實和靜/動態(tài)事件事實。

路線規(guī)劃是在拖拉機作業(yè)前采用步長連續(xù)尋點法設定行進的具體坐標，并控制拖拉機在到達一個坐標點后繼續(xù)向下一個坐標點行進，直至完成整個路線。代表性的事件如下：

(Static event (Event name: coordinate setting) (Standard verb: plan) (Objective: route obtain) (Mode: searching) (start: yes) (End: yes) (Abidance: blank) (Result: yes))

(Dynamic event (Event name: machine controlling) (Standard verb: start) (Objective: arriving next position) (Mode: exporting) (Start: blank) (End: yes) (Abidance: blank) (Result: blank))

速度控制是在霍爾元件測量的地輪速度與設定的拖拉機速度偏差達到閾值時，啟動一個閉環(huán)的負反饋系統(tǒng)，采用模糊控制方法調(diào)節(jié)拖拉機的油門和檔位，使行駛速度回歸到設定值上來。代表性的事件如下：

(Static event (Event name: speed measure) (Standard verb: feed back) (Objective: speed regressing) (Mode: compare) (Start: yes) (End: yes) (Abidance: blank) (Result: yes))

(Dynamic event (Event name: throttle controlling) (Standard verb: adjust) (Objective: machine accelerate) (Mode: operation) (Start: yes) (End: yes) (Abidance: yes) (Result: yes))

方向控制是在拖拉機行駛方向偏離規(guī)劃的路線時，行車控制器根據(jù)角度傳感器提供的方向，向液壓閥發(fā)出指令，控制車輪的偏轉使其按照設定的路線行駛。代表性的事件如下：

(Static event (Event name: direction detection) (Standard: deviate) (Objective: path navigation) (Mode: endowing) (Start: yes) (End: blank) (Abidance: blank) (Result: yes))

(Dynamic event (Event name: direction controlling) (Standard verb: turn) (Objective: angle regress) (Mode: check) (Start: yes) (End: yes) (Abidance: yes) (Result: yes))

4 結論

研究了英語語言理解在農(nóng)機自動導航中的作用，將理解的過程概括為詞法分析、句法分析、語義分析和篇章分析。語義分析是語言理解的核心和難點，而單詞聚類是語義理解的主要內(nèi)容。以拖拉機的自動導航為例，對相關的名詞、動詞、介詞和副詞進行聚類分析，列舉了實現(xiàn)路線規(guī)劃、速度控制和方向控制這3種功能的代表性事件，可以提高我國農(nóng)業(yè)機械的自動化水平。