農(nóng)機(jī)控制中的英語語言理解介詞語義分析

李蓓蓓

(平頂山學(xué)院,河南 平頂山 467000)

0 引言

新時(shí)期我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的模式發(fā)生了深刻變化,由以前的個(gè)體分散經(jīng)營過渡到企業(yè)和大戶的規(guī)?；?jīng)營。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的人力需求量大,無法適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革,即將隨著形勢(shì)的變化而被淘汰。農(nóng)業(yè)集中經(jīng)營為農(nóng)業(yè)機(jī)械的推廣開辟了空間,可以顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械化率。農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率高,是推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要力量。我國在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究,目前已經(jīng)形成了較為完善的體系,并且在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。我國近幾年的農(nóng)業(yè)機(jī)械需求量一直較大,農(nóng)機(jī)制造行業(yè)的產(chǎn)值不斷增長,表現(xiàn)出旺盛的勢(shì)頭[1]。

與發(fā)達(dá)國家相比,我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械研究起步晚,在設(shè)計(jì)理念和制造工藝上有所欠缺,導(dǎo)致機(jī)械整體性能存在差距。因此,必須在農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)加大研究和投入力度,才能縮小與世界先進(jìn)水平之間的差距。當(dāng)今工業(yè)信息領(lǐng)域的新型傳感器、芯片和計(jì)算機(jī)等層出不窮,將這些新型技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)制造上,是改善機(jī)械整體性能并提高智能化水平的有效方法。農(nóng)機(jī)智能化的核心在于對(duì)農(nóng)機(jī)的控制,表現(xiàn)為控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。智能農(nóng)機(jī)相比傳統(tǒng)機(jī)械具有更好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性,可以進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力,對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

目前,農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化控制需要計(jì)算機(jī)、信息和通信等多個(gè)學(xué)科的交叉融合,應(yīng)用的技術(shù)有計(jì)算機(jī)視覺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò),控制的功能主要集中在定位導(dǎo)航、環(huán)境識(shí)別及作業(yè)精度方面[3]。金小俊等將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用在除草機(jī)器人上,根據(jù)雜草的顏色特征從土壤背景中分割雜草圖像,具有很好的實(shí)時(shí)性和較高的識(shí)別精度,能夠輔助機(jī)器人準(zhǔn)確定位后完成除草動(dòng)作[4]。羅錫文等基于RTK-DGPS開發(fā)農(nóng)機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng),在拖拉機(jī)上進(jìn)行導(dǎo)航精度的測試,具有很高的定位和導(dǎo)航精度,能控制拖拉機(jī)按照設(shè)定的路線行駛[5-6]。王林惠等研制了一種基于圖像識(shí)別的無人機(jī)智能噴霧系統(tǒng),以多個(gè)優(yōu)選的特征參數(shù)對(duì)農(nóng)田圖像進(jìn)行分析識(shí)別,根據(jù)識(shí)別結(jié)果控制噴頭實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥[7]。張波等為解決惡劣環(huán)境中農(nóng)田信息采集困難的問題,設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng),搭載該系統(tǒng)的無人機(jī)智能化程度更高,并獲得了更可靠的傳輸數(shù)據(jù)和廣闊的覆蓋面積[8]。以上研究充分利用科技進(jìn)步的成果,提高了對(duì)農(nóng)機(jī)的控制效率,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了有力的支撐。

農(nóng)機(jī)控制在本質(zhì)上是采集環(huán)境信息和機(jī)械自身的運(yùn)行狀況,分析后根據(jù)作業(yè)要求生成控制指令,最后由執(zhí)行裝置按照指令完成對(duì)機(jī)械的控制。在上述過程中,信息和控制指令是以語言的形式傳遞的,因此農(nóng)機(jī)控制離不開對(duì)語言的理解。語言被人類用來表示特定的信息,可以作為學(xué)習(xí)和交流的載體。語言理解是以語言學(xué)、邏輯學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科,通過計(jì)算機(jī)處理語言的音、形和義,依次經(jīng)過輸入、輸出、識(shí)別、分析和理解后形成操作指令[9]。目前,語言理解已經(jīng)作為模擬分析和工序建模的基礎(chǔ),在機(jī)械設(shè)計(jì)制造方面得到了廣泛應(yīng)用[10-11]。

在世界眾多的語言中,英語以語法簡單和語感自然的優(yōu)勢(shì)成為應(yīng)用最廣泛的語言。英語可以將少量的單詞通過特定的語法組合在一起表達(dá)豐富的內(nèi)容,在機(jī)械控制上體現(xiàn)出優(yōu)越性。研究英語語言理解在農(nóng)業(yè)機(jī)械控制中的作用,可以吸收經(jīng)驗(yàn)改善我國農(nóng)業(yè)機(jī)械性能,還能提高成熟機(jī)械在國際市場上的競爭力。

英語的單詞有多種類型,其中的介詞一般位于名詞或代詞的前面,用于表示地點(diǎn)、時(shí)間、方向和目的等因素[12]。介詞屬于虛詞,本身沒有實(shí)在的意義,不能單獨(dú)使用,但在對(duì)農(nóng)機(jī)的控制中,介詞能為控制指令提供重要的限制條件,它所依附的名詞或代詞有時(shí)是控制執(zhí)行效果的決定因素。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的研究中,受多詞性特征和賓語不確定性的影響,介詞語義分析的難度相比其它單詞較大[13]。本文對(duì)農(nóng)機(jī)控制中的介詞語義進(jìn)行分析,將其應(yīng)用在噴藥機(jī)器人的視覺感知、自主行走和精準(zhǔn)噴藥控制上,以便提高機(jī)械的作業(yè)效率,降低操作難度。

1 農(nóng)機(jī)設(shè)備和硬件

農(nóng)機(jī)設(shè)備是一個(gè)四輪移動(dòng)的AS-R型噴藥機(jī)器人,搭載主控模塊、視覺感知模塊、自主行走裝置和精準(zhǔn)噴藥模塊。其中,主控模塊可以進(jìn)行英語語言的理解,設(shè)備為戴爾I3668型臺(tái)式電腦,配置包括Intel i5處理器、8GB內(nèi)存和1TB硬盤,由機(jī)器人的電池提供電源;語言理解的介詞語義在visual C++程序中分析,運(yùn)行環(huán)境為Windows10操作系統(tǒng)。

視覺模塊為尼康COOLPIX P60型數(shù)碼相機(jī)和天創(chuàng)UB570型圖像采集卡,相機(jī)設(shè)置在機(jī)器人前方,拍攝形成JPEG格式圖像,經(jīng)過圖像采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后由主控模塊進(jìn)行視覺分析。機(jī)器人的行車控制器接收主控模塊發(fā)來的規(guī)劃路線及轉(zhuǎn)向指令,由角度傳感器測定行駛方向,液壓閥控制車輪的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自主行走。精準(zhǔn)噴藥模塊包括藥液箱、隔膜泵、離心噴頭和噴藥控制器。工作時(shí),隔膜泵將藥液從藥液箱輸送到噴頭,噴頭由單個(gè)電磁閥控制,在主控模塊發(fā)來的脈沖信號(hào)調(diào)制下開啟。機(jī)器人的左右兩邊分別安裝1套噴藥裝置,每套裝置包含4個(gè)噴頭。

2 語言理解和介詞語義分析

語言理解的實(shí)質(zhì)是分析并理解語言所表達(dá)的信息,從而輔助進(jìn)行機(jī)械的設(shè)計(jì)和控制。英語的基本單元是單詞,其語義也包含在單詞中。但是,單詞僅代表最基本的語言信息,需要按照特定語法依次構(gòu)成語句、段落和篇章后才能成為完整的信息載體。英語語言理解起始是基于單詞的詞法分析,根據(jù)各個(gè)單詞的類型和意義上升到語句層面。語句同時(shí)進(jìn)行句法分析和分類處理,句法分析進(jìn)一步理解語言含義,而分類處理則修訂不規(guī)則語句,以此獲得規(guī)范化語句及句群。英語的單詞類型包括名詞、動(dòng)詞、副詞和介詞等,對(duì)它們分別釋義是語言理解的關(guān)鍵步驟。單詞分類釋義完成后開始段落和篇章分析,這是基于核心事件的語用建模來進(jìn)行語言理解,在此基礎(chǔ)上獲得語言表達(dá)的意義,即用于農(nóng)機(jī)控制的相應(yīng)指令。在這個(gè)過程中若出現(xiàn)單詞釋義和篇章分析不成功的情況,則在句法分析階段重新組建核心事件的模型,再次進(jìn)行分析直至成功。英語語言理解過程如圖1所示。

圖1 英語語言理解過程Fig.1 Process of English language understanding

介詞語義分析首先要建立模塊化的語言理解系統(tǒng),系統(tǒng)中的各個(gè)模塊相互協(xié)調(diào),并且具有與其它模塊之間連接和調(diào)用的接口。語義分析模塊是語言理解系統(tǒng)的核心,其功能是對(duì)包括介詞在內(nèi)的各類單詞進(jìn)行語義分析。名詞和動(dòng)詞的語義分析中都包含介詞的語義,因此介詞分析模塊被分散到系統(tǒng)的各個(gè)部分中。含有介詞的語句進(jìn)入系統(tǒng)后,首先經(jīng)過詞法和句法分析生成動(dòng)態(tài)名詞,然后利用介詞分析模塊處理;依次提取語句中的介詞,含有被動(dòng)介詞的進(jìn)入被動(dòng)句分析模塊,不含被動(dòng)介詞且沒有搭配詞的進(jìn)入單介詞分析模塊;含有搭配詞的進(jìn)入搭配詞分析模塊,之后根據(jù)是否含有嵌套結(jié)構(gòu)及介詞槽的特性以此類推進(jìn)行分析,直至完成該語句中所有介詞的分析,如圖2所示。

圖2 介詞語義分析的過程Fig.2 Process of preposition semantic analysis

3 控制功能

噴藥機(jī)器人的參數(shù)設(shè)定和操作指令都以英語語言作為形式,主控模塊對(duì)表達(dá)參數(shù)和機(jī)械運(yùn)行狀況的單詞詞義和語句句義進(jìn)行分析,完成語言理解并獲得控制指令的內(nèi)容,輸出相應(yīng)的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制功能。機(jī)器人的行駛路線和駕駛指令通過英語文字輸入,由語言理解系統(tǒng)識(shí)別和釋義,執(zhí)行裝置根據(jù)控制指令完成操作。作為一個(gè)獨(dú)立的單詞類型,介詞語義分析在噴藥機(jī)器人的視覺感知、自主行走和精準(zhǔn)噴藥控制中發(fā)揮著重要的作用。

視覺感知功能首先采集田間圖像,通過3×3的中值濾波法預(yù)處理去除噪音,然后針對(duì)相機(jī)俯視角造成的相同大小物體像素點(diǎn)數(shù)不同的問題矯正圖像的畸變。以亮度I分量對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理,最后選擇閾值分割方法來分割圖像,將目標(biāo)從背景中提取出來。

自主行走功能是根據(jù)農(nóng)田形狀和作業(yè)目標(biāo)計(jì)算獲得最合理的作業(yè)路徑,在噴藥覆蓋整個(gè)農(nóng)田的前提下盡量減少行駛距離。采用相應(yīng)的定位技術(shù)獲得機(jī)器人的位置,根據(jù)偏離預(yù)定路徑的距離實(shí)時(shí)修正行駛方向;行駛方向通過方向盤控制,方向控制器與方向盤連接;方向控制器安裝方便,與語言理解設(shè)備的兼容性較好。

精準(zhǔn)噴藥功能是將視覺感知的圖像劃分為4行×4列的網(wǎng)格,以每個(gè)方格內(nèi)的雜草覆蓋面積為參數(shù)形成處方圖。噴藥控制器根據(jù)處方圖控制相應(yīng)噴頭的開啟程度,實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格內(nèi)區(qū)域的精準(zhǔn)噴藥。

噴藥機(jī)器人的這3種控制功能涉及各個(gè)模塊,相互之間聯(lián)系復(fù)雜?？刂苿?dòng)作要在特定的時(shí)間和各種前提條件下進(jìn)行,具有各自的執(zhí)行主體和控制對(duì)象。因此,準(zhǔn)確理解介詞的語義對(duì)程序編寫至關(guān)重要,表1中列舉了3種控制功能的代表性介詞。

表1 不同控制功能的代表性介詞Table 1 Representative preposition of different controlling functions

4 結(jié)論

基于英語語言理解分析農(nóng)機(jī)控制中的介詞語義,并用于控制噴藥機(jī)器人的視覺感知、自主行走和精準(zhǔn)噴藥3種功能。介詞的語義分析首先要建立模塊化的語言理解系統(tǒng),然后提取語句中的介詞,依次進(jìn)行被動(dòng)介詞、搭配詞、單介詞、嵌套結(jié)構(gòu)和介詞槽等特性的篩選和分析,直至完成所有介詞的釋義。最后,介紹了介詞在3種控制功能中的具體作用,并分別列舉了代表性的介詞,以便提高機(jī)械的作業(yè)效率,降低操作難度。