農(nóng)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(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

無人機是一種無人駕駛的可重復(fù)使用飛行器系統(tǒng)，包括飛行平臺、地面控制站、通訊設(shè)備和其它部件。不同類型無人機的主要區(qū)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(xiàn)得相對較早；旋翼無人機出現(xiàn)稍晚，設(shè)計更為成熟，技術(shù)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(shè)計難度和負載能力上也體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢[1]。旋翼無人機在近些年發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和軍事領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域用于農(nóng)藥噴灑、信息監(jiān)測及農(nóng)業(yè)保險勘察等，成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化的重要部分[2-4]。

農(nóng)用無人機在飛行作業(yè)中會受到天氣條件和載荷變化的影響，不能保持穩(wěn)定的飛行高度、速度和姿態(tài)，導(dǎo)致實際航線與規(guī)劃航線之間存在偏差。航線偏離不僅降低無人機作業(yè)質(zhì)量，還會增加燃料消耗，航程也相應(yīng)縮短，從而影響到作業(yè)效率。因此，在規(guī)劃合理航線的基礎(chǔ)上，還要對農(nóng)用無人機的飛行狀態(tài)進行準確的控制，才能保證無人機按照規(guī)劃的航線飛行，發(fā)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(yè)效率、質(zhì)量及成本都有著直接影響。最初的無人機由人工控制，技術(shù)難度較大，操作人員容易出現(xiàn)反應(yīng)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(shù)和設(shè)備，為無人機自主飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

無人機自主飛行控制系統(tǒng)是一種集導(dǎo)航、飛行控制和任務(wù)管理于一體的綜合系統(tǒng)，可以控制無人機自動起飛，按照規(guī)劃航線完成作業(yè)，最后控制無人機自動著陸[5]。自主飛行控制系統(tǒng)具有指令接收、飛行控制、狀態(tài)監(jiān)測和遙控遙感等多種功能，需要強大的數(shù)據(jù)處理和計算能力作為支持，對硬件設(shè)備也提出了更高的要求。

受質(zhì)量和體積限制，農(nóng)用無人機上的各種設(shè)備正在向小型化和智能化發(fā)展，對性能的要求也日益提高。傳統(tǒng)的PC機質(zhì)量和體積太大，外圍接口繁多，不利于應(yīng)用在無人機上。隨著技術(shù)的進步，各種單片機、PSD、嵌入式芯片和DSP實現(xiàn)了小型化，計算性能也得到了大幅提升。研究人員以這些設(shè)備為核心，設(shè)計小型自主飛行控制系統(tǒng)，在無人機上取得了理想的應(yīng)用效果[6-9]。除了小型化和智能化，可靠性也是農(nóng)用無人機飛行控制系統(tǒng)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(shè)計思路、保證措施和自檢方案，提高了飛行控制系統(tǒng)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(jié)合的綜合性技術(shù)，匯集了相關(guān)領(lǐng)域的最新研究思想，主要的挑戰(zhàn)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(xiàn)環(huán)境快速變化的情況，都是自主飛行須要面對的問題。受技術(shù)水平的制約，目前的自主飛行控制系統(tǒng)大多只能實現(xiàn)相對穩(wěn)定環(huán)境下的自主或半自主控制，快速變化或者不確定環(huán)境下的完全自主控制還沒有實現(xiàn)[11]。因此，增強系統(tǒng)的魯棒性、容錯性、智能性和自適應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)。

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(xiàn)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(zhí)行的操作。語言理解是一項綜合了語言學(xué)、計算機科學(xué)、邏輯學(xué)和人工智能等學(xué)科的技術(shù)，具有廣泛的用途，目前主要用于機械設(shè)計制造方面的模型重建[12-13]。

名詞是人類語言中種類和數(shù)量最多的詞類，表達的內(nèi)容也最為豐富，在語句中占據(jù)了所有的6種句法位置。因此，深入分析名詞的知識和內(nèi)涵，總結(jié)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(yīng)用于機械產(chǎn)品設(shè)計的需求分析，把結(jié)果轉(zhuǎn)化為設(shè)計要求和參數(shù)，增加了后續(xù)設(shè)計的合理性[15]。農(nóng)業(yè)無人機飛行控制所涉及的數(shù)據(jù)眾多，程序復(fù)雜，在接受飛行指令至執(zhí)行控制操作的過程中，自然語言理解發(fā)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(nóng)業(yè)拍攝無人機飛行控制中的應(yīng)用，并對其中的名詞匯聚進行重點分析，以提高農(nóng)業(yè)無人機控制的精確程度，實現(xiàn)自主飛行。

1 設(shè)備和程序

飛行平臺為大疆Phantom 4 Advanced型四旋翼無人機，質(zhì)量5kg，續(xù)航時間30min，采用GPS/GLONASS雙模式定位，可以用于農(nóng)田信息監(jiān)測。地面站安裝大疆DJIGS Pro專業(yè)版軟件，用于設(shè)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(tǒng)采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，以PC-104總線的Intel586工控計算機為核心。PC-104計算機的體積、質(zhì)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(tǒng)的環(huán)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(yīng)。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(jù)這個模型給出相應(yīng)的回答。英語語言在外形上是一連串的字母符號，而在內(nèi)部則是層次化的結(jié)構(gòu)，因此英語語言理解也是層次化的過程。根據(jù)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(chǔ)，即將語句分解成基本的單詞，分析獲得它們的語言學(xué)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(jié)構(gòu)，找出語句中詞和短語之間的關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的影響。語義分析就是找出詞義與句義的關(guān)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(jié)合上下文對語義進行分析。篇章分析既要關(guān)聯(lián)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(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、環(huán)境條件和控制動作等，對它們進行匯聚的依據(jù)包括從屬關(guān)系、具體抽象關(guān)系、整體部分關(guān)系等，這些關(guān)系是后續(xù)語義分析的重要參考。英語名詞匯聚的實質(zhì)是闡明篇章中概念主體之間的關(guān)系，形成由篇章實體概念組成的樹狀層次結(jié)構(gòu)。

語言理解程序完成了對名詞語義信息和關(guān)系的處理后，以此為基礎(chǔ)按照名詞概念關(guān)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(jù)概念與屬性關(guān)系匯聚，然后根據(jù)概念與外延繼承關(guān)系匯聚，最后根據(jù)概念間動態(tài)關(guān)系將概念聯(lián)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(tài)名詞模板分析概念從屬關(guān)系和屬性關(guān)系，根據(jù)靜態(tài)名詞事實分析各個主體的屬性關(guān)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(guān)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(guān)參數(shù)設(shè)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(xiàn)控制功能。本文分析語言理解名詞匯聚在無人機狀態(tài)監(jiān)測、定位導(dǎo)航和姿態(tài)控制中的作用。

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

地面站規(guī)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(guī)劃航線的情況，然后根據(jù)無人機所處環(huán)境和飛行狀態(tài)發(fā)出航線調(diào)整指令；無人機飛行姿態(tài)控制設(shè)備接收指令后執(zhí)行相應(yīng)的動作，實現(xiàn)對航線的調(diào)整。

姿態(tài)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(qū)動下進行偏轉(zhuǎn)以改變飛行方向，速度的大小則由發(fā)動機及其轉(zhuǎn)速控制器聯(lián)合控制。

無人機這3種控制功能所需部件繁多，種類復(fù)雜，對執(zhí)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(zhí)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(jié)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(qū)上空飛行，進行農(nóng)田信息的監(jiān)測。規(guī)劃的無人機航線為橢圓形，長軸50m，短軸40m。設(shè)定飛行高度10m，飛行期間每隔10s記錄1次實際航線與規(guī)劃航線的偏離值、實際高度與設(shè)定高度的偏離值，評價飛行控制的精確度。

試驗結(jié)果如圖2所示。在理想的環(huán)境下，農(nóng)用無人機可以按照預(yù)定的方案飛行，航線和高度的偏差很小。突然出現(xiàn)的陣風導(dǎo)致無人機飛行的偏差增大，但是飛行控制系統(tǒng)做出反應(yīng)，控制無人機快速回歸到設(shè)定的航線和高度上來。試驗結(jié)果表明：這種飛行控制方法具有很好的精確度，可以賦予農(nóng)業(yè)無人機自主飛行的能力。

5 結(jié)論

研究了英語語言理解在農(nóng)業(yè)無人機飛行控制中的應(yīng)用，并對名詞匯聚進行重點分析。文中列舉了無人機狀態(tài)監(jiān)測、定位導(dǎo)航和姿態(tài)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(yù)定的航線和高度飛行，能對陣風做出反應(yīng)，使無人機快速回歸到設(shè)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(nóng)用無人機控制的精確程度，有助于實現(xiàn)自主飛行。