發(fā)布時間：2020-02-22所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率高，是推動農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要力量。將新型技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計和制造上，可改善機(jī)械整體性能并提高智能化水平。農(nóng)機(jī)智能化的核心在于控制環(huán)節(jié)，表現(xiàn)為控制的實時性和準(zhǔn)確性。為此，基于英語語言理解分析農(nóng)機(jī)控制中的介詞語義，并用
摘要:農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率高，是推動農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要力量。將新型技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計和制造上，可改善機(jī)械整體性能并提高智能化水平。農(nóng)機(jī)智能化的核心在于控制環(huán)節(jié)，表現(xiàn)為控制的實時性和準(zhǔn)確性。為此，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。介詞語義分析首先要建立模塊化的語言理解系統(tǒng)，然后從語句中提取介詞進(jìn)行各項特性的篩選和分析，直至完成所有介詞的釋義。最后，介紹了介詞語義分析在3種控制功能中的具體作用，并分別列舉代表性的介詞，以便提高機(jī)械的作業(yè)效率，降低操作難度。
關(guān)鍵詞:農(nóng)機(jī)控制;英語;語言理解;介詞;釋義
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)模化經(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農(nóng)機(jī)的控制，表現(xiàn)為控制的實時性和準(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算機(jī)、信息和通信等多個學(xué)科的交叉融合，應(yīng)用的技術(shù)有計算機(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)境識別及作業(yè)精度方面[3]。金小俊等將計算機(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，具有很好的實時性和較高的識別精度，能夠輔助機(jī)器人準(zhǔn)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(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別的無人機(jī)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(jìn)行分析識別，根據(jù)識別結(jié)果控制噴頭實現(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)、計算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科，通過計算機(jī)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(chǔ)，在機(jī)械設(shè)計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(dú)使用，但在對農(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是控制執(zhí)行效果的決定因素。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)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(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)備是一個四輪移動的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型臺式電腦，配置包括Inteli5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visualC++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COOLPIXP60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，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(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(dá)的信息，從而輔助進(jìn)行機(jī)械的設(shè)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(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)各個單詞的類型和意義上升到語句層面。語句同時進(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、動詞、副詞和介詞等，對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。
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(jìn)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(jìn)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(jìn)入被動句分析模塊，不含被動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。
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)的信號來實現(xiàn)各項控制功能。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(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(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(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，實現(xiàn)對網(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模塊，相互之間聯(lián)系復(fù)雜。控制動作要在特定的時間和各種前提條件下進(jìn)行，具有各自的執(zhí)行主體和控制對象。因此，準(zhǔn)確理解介詞的語義對程序編寫至關(guān)重要，表1中列舉了3種控制功能的代表性介詞。
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。
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