農(nóng)機控制中的英語語言理解介詞語義分析

李蓓蓓

(平頂山學院,河南 平頂山 467000)

0 引言

新時期我國農(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,無法適應農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革,即將隨著形勢的變化而被淘汰。農(nóng)業(yè)集中經(jīng)營為農(nóng)業(yè)機械的推廣開辟了空間,可以顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的機械化率。農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)效率高,是推動農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要力量。我國在農(nóng)機領域進行了大量研究,目前已經(jīng)形成了較為完善的體系,并且在生產(chǎn)中得到了廣泛應用。我國近幾年的農(nóng)業(yè)機械需求量一直較大,農(nóng)機制造行業(yè)的產(chǎn)值不斷增長,表現(xiàn)出旺盛的勢頭[1]。

與發(fā)達國家相比,我國的農(nóng)業(yè)機械研究起步晚,在設計理念和制造工藝上有所欠缺,導致機械整體性能存在差距。因此,必須在農(nóng)業(yè)機械的設計制造環(huán)節(jié)加大研究和投入力度,才能縮小與世界先進水平之間的差距。當今工業(yè)信息領域的新型傳感器、芯片和計算機等層出不窮,將這些新型技術應用在農(nóng)業(yè)機械的設計制造上,是改善機械整體性能并提高智能化水平的有效方法。農(nóng)機智能化的核心在于對農(nóng)機的控制,表現(xiàn)為控制的實時性和準確性。智能農(nóng)機相比傳統(tǒng)機械具有更好的穩(wěn)定性和適應性,可以進一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力,對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

目前,農(nóng)業(yè)機械的智能化控制需要計算機、信息和通信等多個學科的交叉融合,應用的技術有計算機視覺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡,控制的功能主要集中在定位導航、環(huán)境識別及作業(yè)精度方面[3]。金小俊等將計算機視覺技術應用在除草機器人上,根據(jù)雜草的顏色特征從土壤背景中分割雜草圖像,具有很好的實時性和較高的識別精度,能夠輔助機器人準確定位后完成除草動作[4]。羅錫文等基于RTK-DGPS開發(fā)農(nóng)機的導航系統(tǒng),在拖拉機上進行導航精度的測試,具有很高的定位和導航精度,能控制拖拉機按照設定的路線行駛[5-6]。王林惠等研制了一種基于圖像識別的無人機智能噴霧系統(tǒng),以多個優(yōu)選的特征參數(shù)對農(nóng)田圖像進行分析識別,根據(jù)識別結果控制噴頭實現(xiàn)精準噴藥[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,設計了基于無線傳感網(wǎng)絡的監(jiān)測系統(tǒng),搭載該系統(tǒng)的無人機智能化程度更高,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步的成果,提高了對農(nóng)機的控制效率,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了有力的支撐。

農(nóng)機控制在本質(zhì)上是采集環(huán)境信息和機械自身的運行狀況,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機械的控制。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)機控制離不開對語言的理解。語言被人類用來表示特定的信息,可以作為學習和交流的載體。語言理解是以語言學、邏輯學、計算機科學和數(shù)學為基礎的交叉學科,通過計算機處理語言的音、形和義,依次經(jīng)過輸入、輸出、識別、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,在機械設計制造方面得到了廣泛應用[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)勢成為應用最廣泛的語言。英語可以將少量的單詞通過特定的語法組合在一起表達豐富的內(nèi)容,在機械控制上體現(xiàn)出優(yōu)越性。研究英語語言理解在農(nóng)業(yè)機械控制中的作用,可以吸收經(jīng)驗改善我國農(nóng)業(yè)機械性能,還能提高成熟機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、時間、方向和目的等因素[12]。介詞屬于虛詞,本身沒有實在的意義,不能單獨使用,但在對農(nóng)機的控制中,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是控制執(zhí)行效果的決定因素。在機械產(chǎn)品設計的研究中,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]。本文對農(nóng)機控制中的介詞語義進行分析,將其應用在噴藥機器人的視覺感知、自主行走和精準噴藥控制上,以便提高機械的作業(yè)效率,降低操作難度。

1 農(nóng)機設備和硬件

農(nóng)機設備是一個四輪移動的AS-R型噴藥機器人,搭載主控模塊、視覺感知模塊、自主行走裝置和精準噴藥模塊。其中,主控模塊可以進行英語語言的理解,設備為戴爾I3668型臺式電腦,配置包括Intel i5處理器、8GB內(nèi)存和1TB硬盤,由機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)碼相機和天創(chuàng)UB570型圖像采集卡,相機設置在機器人前方,拍攝形成JPEG格式圖像,經(jīng)過圖像采集卡轉換為數(shù)字信號后由主控模塊進行視覺分析。機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實現(xiàn)自主行走。精準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,隔膜泵將藥液從藥液箱輸送到噴頭,噴頭由單個電磁閥控制,在主控模塊發(fā)來的脈沖信號調(diào)制下開啟。機器人的左右兩邊分別安裝1套噴藥裝置,每套裝置包含4個噴頭。

2 語言理解和介詞語義分析

語言理解的實質(zhì)是分析并理解語言所表達的信息,從而輔助進行機械的設計和控制。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)各個單詞的類型和意義上升到語句層面。語句同時進行句法分析和分類處理,句法分析進一步理解語言含義,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、動詞、副詞和介詞等,對它們分別釋義是語言理解的關鍵步驟。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行語言理解,在此基礎上獲得語言表達的意義,即用于農(nóng)機控制的相應指令。在這個過程中若出現(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,其功能是對包括介詞在內(nèi)的各類單詞進行語義分析。名詞和動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)的各個部分中。含有介詞的語句進入系統(tǒng)后,首先經(jīng)過詞法和句法分析生成動態(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,含有被動介詞的進入被動句分析模塊,不含被動介詞且沒有搭配詞的進入單介詞分析模塊;含有搭配詞的進入搭配詞分析模塊,之后根據(jù)是否含有嵌套結構及介詞槽的特性以此類推進行分析,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

噴藥機器人的參數(shù)設定和操作指令都以英語語言作為形式,主控模塊對表達參數(shù)和機械運行狀況的單詞詞義和語句句義進行分析,完成語言理解并獲得控制指令的內(nèi)容,輸出相應的信號來實現(xiàn)各項控制功能。機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)識別和釋義,執(zhí)行裝置根據(jù)控制指令完成操作。作為一個獨立的單詞類型,介詞語義分析在噴藥機器人的視覺感知、自主行走和精準噴藥控制中發(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的中值濾波法預處理去除噪音,然后針對相機俯視角造成的相同大小物體像素點數(shù)不同的問題矯正圖像的畸變。以亮度I分量對圖像進行灰度化處理,最后選擇閾值分割方法來分割圖像,將目標從背景中提取出來。

自主行走功能是根據(jù)農(nóng)田形狀和作業(yè)目標計算獲得最合理的作業(yè)路徑,在噴藥覆蓋整個農(nóng)田的前提下盡量減少行駛距離。采用相應的定位技術獲得機器人的位置,根據(jù)偏離預定路徑的距離實時修正行駛方向;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,與語言理解設備的兼容性較好。

精準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)處方圖控制相應噴頭的開啟程度,實現(xiàn)對網(wǎng)格內(nèi)區(qū)域的精準噴藥。

噴藥機器人的這3種控制功能涉及各個模塊,相互之間聯(lián)系復雜?？刂苿幼饕谔囟ǖ臅r間和各種前提條件下進行,具有各自的執(zhí)行主體和控制對象。因此,準確理解介詞的語義對程序編寫至關重要,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 結論

基于英語語言理解分析農(nóng)機控制中的介詞語義,并用于控制噴藥機器人的視覺感知、自主行走和精準噴藥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,依次進行被動介詞、搭配詞、單介詞、嵌套結構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,以便提高機械的作業(yè)效率,降低操作難度。