人工智能技術(shù)與機(jī)械電子工程領(lǐng)域融合研究

楊洋 周建 鄭偉

摘 要 人工智能概念的提出與發(fā)展加快了社會(huì)智能化發(fā)展的步伐，帶領(lǐng)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)入智能化發(fā)展的軌道。根據(jù)人工智能技術(shù)所代表的智能化、降低勞動(dòng)成本的方式，本文對(duì)當(dāng)前機(jī)械電子工程領(lǐng)域的發(fā)展面臨的主要瓶頸進(jìn)行分析，總結(jié)出人工智能技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械電子工程領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。[1]本文基于當(dāng)前人工智能技術(shù)的主要應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與研究，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、對(duì)象識(shí)別等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探究，總結(jié)出學(xué)科的融合與交叉促進(jìn)，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)整體生產(chǎn)力水平的提升。

關(guān)鍵字 人工智能技術(shù) 機(jī)械電子工程 融合應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2020）02-0013-03

科技水平的飛速發(fā)展，已經(jīng)使我國(guó)工業(yè)機(jī)械從傳統(tǒng)機(jī)械水平發(fā)展進(jìn)入到了機(jī)械電子時(shí)代，而近幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展將機(jī)械技術(shù)的發(fā)展帶入了智能化發(fā)展階段。[2]隨著人工智能理念的提出到人工智能技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在機(jī)械電子工程領(lǐng)域的融合和應(yīng)用也日漸廣泛，因此，本文針對(duì)當(dāng)前人工智能技術(shù)在機(jī)械電子工程領(lǐng)域的發(fā)展近況，對(duì)當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析與研究。

1 人工智能與機(jī)械電子

1.1 人工智能技術(shù)的內(nèi)涵及特點(diǎn)

人工智能是一門(mén)綜合性的新型學(xué)科，以計(jì)算機(jī)科學(xué)和電子信息學(xué)科、數(shù)學(xué)計(jì)算等學(xué)科為基礎(chǔ)。人工智能是人基于軟件算法的融合與控制來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化的方法。人工智能技術(shù)包含著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、腦機(jī)接口、自動(dòng)駕駛、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)導(dǎo)航等多種自動(dòng)化的技術(shù)。[3]當(dāng)前人工智能技術(shù)不斷被應(yīng)用于人們生產(chǎn)與生活各個(gè)環(huán)節(jié)，逐步覆蓋了社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域信息化進(jìn)程。[4]人工智能技術(shù)的主要特點(diǎn)可以總結(jié)為：

（1）智能化。人工智能技術(shù)通過(guò)對(duì)前期經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析，建立自主學(xué)習(xí)模型，通過(guò)自主學(xué)習(xí)的方式構(gòu)建了高實(shí)時(shí)性、高效的算法設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化運(yùn)行、智能化檢驗(yàn)、智能化預(yù)測(cè)。[5]

（2）減少人的重復(fù)性勞動(dòng)。人工智能技術(shù)將人工的重復(fù)性操作進(jìn)行學(xué)習(xí)，以機(jī)器人的方式替代人的重復(fù)性勞動(dòng)，節(jié)省了勞動(dòng)力的同時(shí)提升了整體的工作效率，降低了工作失誤率。[6]

1.2 機(jī)械電子工程的特點(diǎn)

機(jī)械電子工程是以機(jī)械工程為設(shè)備依托，以硬件制造、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)等為理論支撐的廣泛應(yīng)用于各個(gè)大型制造企業(yè)的工程學(xué)科。機(jī)械電子工程通常包含了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的控制。[7]因此，機(jī)械電子工程領(lǐng)域中需要對(duì)硬件設(shè)備及時(shí)維護(hù)，同時(shí)也需要對(duì)上層軟件進(jìn)行不斷更新與迭代，達(dá)到更小的工作誤差、更高的操作精度來(lái)控制機(jī)械設(shè)備工作。當(dāng)前軟件設(shè)計(jì)關(guān)系著機(jī)械電子工程的發(fā)展進(jìn)程，軟件程序的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)是機(jī)械電子實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，也是較為困難的步驟。[8]

1.3 人工智能技術(shù)與機(jī)械電子工程的融合發(fā)展

機(jī)械電子工程領(lǐng)域的發(fā)展需要配備相應(yīng)的檢測(cè)、維護(hù)、管理的系統(tǒng)來(lái)共同維護(hù)，而這個(gè)過(guò)程依賴于電子信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與軟件的交互，在進(jìn)行信息輸入、信息輸出的過(guò)程中難免會(huì)遇到輸入出錯(cuò)等問(wèn)題，這將會(huì)引起機(jī)械電子設(shè)備處于故障狀態(tài)無(wú)法工作，在工作需求較大的環(huán)境中和交互數(shù)據(jù)量較大的過(guò)程中，會(huì)增加出錯(cuò)的機(jī)率，造成了工程的經(jīng)濟(jì)損失和效率降低。而人工智能技術(shù)的發(fā)展，由于其智能化的特點(diǎn)較好的彌補(bǔ)了人為出錯(cuò)，并且通過(guò)應(yīng)用相關(guān)的人工智能技術(shù)能夠不斷將交互數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析，對(duì)交互狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理，能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、預(yù)測(cè)問(wèn)題，能夠?qū)C(jī)械電子設(shè)備的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)更有效的利用與處理。因此將人工智能技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械電子工程領(lǐng)域?qū)?huì)是一場(chǎng)歷史性的變革，是社會(huì)智能化發(fā)展的重要階段。

2 人工智能技術(shù)與機(jī)械電子工程領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械電子工程領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一套集跟蹤、觸覺(jué)感知、音頻、高性能運(yùn)算設(shè)備、圖像處理設(shè)備等設(shè)備構(gòu)成的一套能夠建立虛擬環(huán)境的系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對(duì)當(dāng)前環(huán)境所構(gòu)建的虛擬環(huán)境，它源自20世紀(jì)70年代美國(guó)科學(xué)家研制出的虛擬物體的系統(tǒng)，后來(lái)不斷的應(yīng)用到不同的領(lǐng)域。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建了人與虛擬世界交互的方式，因此該技術(shù)不斷的被應(yīng)用于數(shù)據(jù)可視化處理，機(jī)械電子領(lǐng)域的仿真系統(tǒng)操作平臺(tái)的模擬、遠(yuǎn)程協(xié)同操作等方面。在高精度的醫(yī)療機(jī)械設(shè)備中，為了實(shí)現(xiàn)高精度的手術(shù)操作，很多學(xué)者提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)而搭建的手眼協(xié)同操作機(jī)器人操作平臺(tái)，通過(guò)將醫(yī)療機(jī)器人設(shè)備進(jìn)入手術(shù)部位，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體內(nèi)部器官場(chǎng)景的模擬，將計(jì)算后得出的結(jié)果展示在醫(yī)生的屏幕中，醫(yī)生通過(guò)在遠(yuǎn)端操作設(shè)備，共同實(shí)現(xiàn)手術(shù)端設(shè)備的移動(dòng)，通過(guò)高精度的控制算法來(lái)達(dá)到微小的手術(shù)操作。[9]

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用

在實(shí)際工程環(huán)境中，當(dāng)機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，容易引起事故造成經(jīng)濟(jì)損失，因此近幾年人工智能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了故障診斷方法智能化的趨勢(shì)，提升了故障診斷的速度，降低了故障診斷的時(shí)間，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性。所謂機(jī)械設(shè)備的故障診斷是指根據(jù)設(shè)備檢測(cè)獲取的數(shù)據(jù)來(lái)分析當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀況的方法，傳統(tǒng)的機(jī)械故障診斷方法主要依靠信號(hào)處理方法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行診斷，但是此種方法對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備來(lái)說(shuō)很難準(zhǔn)確的確定故障發(fā)生的位置。[10]

在人工智能領(lǐng)域中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)依靠多層非線性的網(wǎng)絡(luò)而搭建，通過(guò)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷的訓(xùn)練，可以實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)。通過(guò)學(xué)習(xí)大量的學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)特征，構(gòu)建數(shù)據(jù)的潛在特征，對(duì)設(shè)備的典型故障可以進(jìn)行分類或者預(yù)測(cè)，該技術(shù)的提出不僅降低了設(shè)備診斷的成本，也提升了對(duì)于復(fù)雜機(jī)械設(shè)備故障診斷的準(zhǔn)確性。[11]基于深度學(xué)習(xí)的機(jī)械設(shè)備故障診斷方法通過(guò)自適應(yīng)讀取復(fù)雜多變的故障數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的診斷，克服了診斷設(shè)備種類的差異，減小了由人為干預(yù)帶來(lái)的測(cè)量誤差。

2.3 機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航與避障技術(shù)

在人工智能時(shí)代，機(jī)器人技術(shù)作為機(jī)械電子工程領(lǐng)域智能化的產(chǎn)物，也體現(xiàn)了人工智能技術(shù)在機(jī)械電子工程領(lǐng)域的應(yīng)用。[12]例如當(dāng)前提出的除草機(jī)器人，在基于機(jī)械原理設(shè)計(jì)的硬件機(jī)器人平臺(tái)上，設(shè)計(jì)相關(guān)的自動(dòng)導(dǎo)航的算法，實(shí)現(xiàn)除草機(jī)器人的自主導(dǎo)航和自主割草操作。許多學(xué)者對(duì)相關(guān)的導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行研究，例如使用多種視覺(jué)傳感器設(shè)備融合與卡爾曼濾波器共同建立視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)安裝在設(shè)備上的攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)除草環(huán)境的捕捉，通過(guò)應(yīng)用導(dǎo)航算法根據(jù)輸入圖像計(jì)算構(gòu)建出機(jī)器人所處環(huán)境的電子地圖，并根據(jù)地圖規(guī)劃出機(jī)器人的行走路徑，實(shí)現(xiàn)自主除草避障的效果。[13]

2.4 圖像識(shí)別技術(shù)在機(jī)械電子工程領(lǐng)域的應(yīng)用

圖像識(shí)別技術(shù)是指依靠計(jì)算機(jī)智能算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)某種特定對(duì)象的識(shí)別，人工智能技術(shù)中通過(guò)激光掃射等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的自主判斷。圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展包括圖像的融合、匹配、目標(biāo)檢測(cè)等多個(gè)方面。在機(jī)械工程領(lǐng)域中，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作環(huán)境的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制。例如在工業(yè)機(jī)器人的操作環(huán)境中，通過(guò)構(gòu)建圖像識(shí)別算法輸入攝像頭中，將攝像頭搭載在機(jī)械臂終端，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的準(zhǔn)確識(shí)別與抓取。在自動(dòng)駕駛環(huán)境中，圖像識(shí)別技術(shù)能夠?qū)囕v行駛的道路前方存在的障礙物體進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)避障礙，降低了事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。[14]今年疫情期間，各大機(jī)場(chǎng)、火車站、超市等人流密集的場(chǎng)所就是運(yùn)用紅外遙感溫度感知與人工智能圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人體溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.5 數(shù)據(jù)處理技術(shù)在機(jī)械電子工程領(lǐng)域的應(yīng)用

數(shù)據(jù)處理技術(shù)是人工智能技術(shù)中包含的一種對(duì)批量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的技術(shù)，也是一種輔助化管理方式。[15]由于信息化技術(shù)的發(fā)展無(wú)時(shí)無(wú)刻都在產(chǎn)生數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)處理技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的收集和管理，還能夠建立有用數(shù)據(jù)和無(wú)用數(shù)據(jù)的評(píng)分機(jī)制，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，將有用數(shù)據(jù)加以利用快速處理和分析。[16]在機(jī)械電子工程中通常會(huì)基于多種類傳感器搭建機(jī)械硬件系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備處于工作狀態(tài)時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)告訴采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的快速運(yùn)算過(guò)程，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理性能，適用于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合。在大型制造企業(yè)中，需要同時(shí)對(duì)多類機(jī)械設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，可以通過(guò)搭載多種類的傳感器設(shè)備實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行時(shí)參數(shù)和待機(jī)時(shí)參數(shù)等，通過(guò)對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的整體監(jiān)測(cè)，提升了智能化運(yùn)維水平。[17]

從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)到圖像識(shí)別技術(shù)，自動(dòng)導(dǎo)航避障技術(shù)再到數(shù)據(jù)處理技術(shù)，人工智能技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)正從不同的方面滲透到機(jī)械電子工程領(lǐng)域中來(lái)，不斷的實(shí)現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)算法的智能化和設(shè)備運(yùn)行的智能化。[18]因此人工智能技術(shù)打破了傳統(tǒng)機(jī)械領(lǐng)域的局限性，將信息化的方法引入到硬件設(shè)施中來(lái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自主控制與運(yùn)行，提升了設(shè)備的工作精度的同時(shí)，降低了人員的維護(hù)成本。[19]

3 結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析，多學(xué)科交叉、綜合發(fā)展也是未來(lái)科技發(fā)展的方向，人工智能技術(shù)將會(huì)帶領(lǐng)機(jī)械電子工程領(lǐng)域走向新一輪設(shè)備自動(dòng)化、算法智能化的進(jìn)程，人工智能技術(shù)在機(jī)械電子工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景與發(fā)展前景，因此，科研工作者應(yīng)該充分發(fā)揮人工智能技術(shù)與機(jī)械電子工程技術(shù)的結(jié)合，充分利用智能化的優(yōu)勢(shì)，來(lái)解決傳統(tǒng)機(jī)械電子行業(yè)發(fā)展所面臨的問(wèn)題，充分發(fā)揮學(xué)科交叉的作用，充分的將人工智能技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械電子工程領(lǐng)域的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的相互促進(jìn)發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)整體科技水平的提高。[20]

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沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng)