智能农机控制中的英语语言理解动词聚类

2019-12-21欧国芳

农机化研究 2019年3期

欧国芳

(重庆商务职业学院，重庆 401331)

0 引言

农业机械克服了传统作业方式的许多弱点，作业效率高，是推动农业生产进步的重要力量。近年来，我国的农机市场需求旺盛，农机制造行业的总产值持续增加，呈现良好的发展势头[1]。将各类传感器、芯片和计算机与农业机械结合，可以大幅提高生产效率。农业机械的作业效率和质量会受到许多环境因素影响，出现遗漏或重复作业问题[2]。与传统的农机相比，智能农机具有更高的效率和可靠性，是提高农业生产力的基础，对农业的可持续发展意义重大[3]。

目前，对农机的智能控制研究以多种学科的交叉融合为前提条件，主要集中在定位导航、视觉感知和物联网通讯等方面[4]。智能农机的控制研究首先在美国等发达国家兴起，最早是基于RTK-GPS技术的农机定位和导航。在国内，张磊等将计算机视觉系统安装在农机上，低速行驶过程中对障碍物的识别率达到96%，并能代替惯性导航实现对路径的识别[5-6]。罗锡文等开发了基于RTK-DGPS的导航系统，应用在拖拉机等农业机械上对导航精度进行了测试[7-8]。周岩等设计了基于无线传感网络的农机自动导航系统，实现了对农机的精确定位和速度控制[9]。

语言理解是一种主动性的信息处理构建过程，是智能农机整合各个系统以提升整体性能的有力工具。

其原始含义为人类通过视觉或听觉接收语言，构建语言描述的环境，理解语言表达的意义，最初产生在人文科学中，其内容在计算机科学的推动下延伸到了自然科学的领域。至今，语言理解在自然科学的机械设计和制造领域研究最多，成为工序建模和三维重建的基础[10-12]。

自然科学中的语言理解是通过计算机处理语言的基本要素，包括音、形和义，并组合成为字、词、句和篇以便于处理，最终获得语言描述的内容。语言理解的过程可以概括为计算机指令生成、发送、识别和理解，在智能农机上可以提高控制的速度和精度。英语语法简单，语感自然，这些特点使其成为世界上应用最广泛的语言。英语语言中的少量单词和语法便能形成丰富的内容，赋予了英语语言理解在机械应用上的优越性。

动词和名称是最重要的两种语言单词种类，而动词是语言的重点。动词可以表达一个动作，一系列的动作共同组成动作过程，即事件过程[13]。大部分的语句都是以动词为核心，其它单词依附或服务于动词，因此动词成为语言学研究的热点[14]。动词聚类是按照特定标准对动词分类分析，以概念的内涵或外延为依据，把具有相同或相似属性的分散动词汇聚起来，以表达语句主题内容[15]。本文对英语语言理解中的动词聚类进行研究，与农业机械结合设计了一个智能控制系统，对农机的路径规划、定位导航、视觉感知和自主行驶4个功能进行精确控制，以提高农业机械的智能化水平。

1 系统的组成和原理

1.1 系统硬件和软件

智能控制系统的安装平台为1辆东方红LX900型拖拉机，由拖拉机的蓄电池提供电源。系统核心是戴尔7040MT型计算机，配置Intel i7中央处理器，8GB的DDR4内存及1TB硬盘，用于路径规划和视觉感知分析。拖拉机定位导航采用七频天线接收北斗卫星信号，由中海达公司的导航终端分析卫星信号，并设定运行参数和行驶路线，可以获得2.5cm的导航精度。

视觉感知采用尼康COOLPIX P60型相机，安装在拖拉机前方，可以俯视拍摄获得JPEG格式图像。天创UB570型图像采集卡将图像转换为数字信号后以便分析。拖拉机自动驾驶装置包括集成电子单元、农机执行单元和测量传感器，通过转向、变速、离合和刹车等操作实现自动行驶。英语语言理解和动词聚类的编程软件为visual C++，在Windows10操作系统中运行。

1.2 语言理解流程

英语语言理解的最终目的是对英语表达的信息进行分析和理解，应用于机械的设计或控制。英语的语义蕴含在单词中，然后按照语法依次构成语句、段落和篇章。语言理解整体流程如图1所示。首先，对单词进行词法分析，形成语句；然后，对语句进行句法分析和分类处理，修正不规则的句子，从而得到规范化语句及句群。名词和动词是英语中最重要的两类单词，对它们的分析是语言理解的核心。名词和动词的词义分析成功后进入段落和篇章分析，通过围绕核心事件的语用建模实现语言理解，获得语言表达的内容，并按照内容对农机进行相应控制。若在上述过程中出现词义分析和篇章分析失败的情况，则返回句法分析阶段，在新的核心事件模型下重新分析，直至分析成功。

1.3 动词聚类流程

语言理解完成了词法、句法和语义分析后，便在篇章分析的基础上进行动词聚类。系统对动词词法分析后与语句核心主体之间建立关联，组建动态事件；然后，分析时间上相邻动态事件之间的关系，找出代表段落核心意义的核心事件；最后，以核心事件为中心，进行相关子事件的动词聚类。动词聚类的具体步骤如图2所示。

首先，从事件串中查找得到核心事件；然后，将相同主体事件和包容事件依次汇聚到核心事件中，并按时间顺序保存为篇章动态模板。对于不同主体事件和非包容事件，则进行重新判定，汇聚包含事件，也保存到篇章动态模板中。

图1 英语语言理解的流程

图2 动词聚类的流程

1.4 控制功能实现

拖拉机操作者用英语表达控制指令，系统通过动词的词法和词义分析进行语言理解，获得控制指令的意义，并将指令转化为相应的信号以启动执行装置。英语语言理解与拖拉机的结合是以动词聚类为基础组建的智能控制系统，包含了特定的领域语料库、动词依存集和领域概念集。根据控制算法，在农机领域语料库的各类概念中选择有依存关系的动词组成动词依存集，每个依存集对应相同类别的多个领域。领域语料库和动词依存集按照动词依存法输入，输出的结果则为领域概念集。在此模式下，系统根据拖拉机的人工操作模式总结规律和经验，形成自身逻辑判断的决策特征。

以英语语言理解为基础的拖拉机智能控制系统包含语言输入模块、分析模块、数据库、推理模块和执行模块。语言输入装置把操作者指令转换为计算机语言，分析模块接收该信息，并完成词法、句法、词义、语义和篇章分析；分析结果在机械控制数据库中比对，然后由推理模块理解形成控制指令；指令发送给执行模块，通过相应的调节动作实现对拖拉机的控制。

2 动词聚类

动词聚类需要建立拖拉机控制相关的动词知识库，包括路径规划、定位导航、视觉感知和自主行驶的有关动词，如表1所示。知识库中的动词信息由语言概念和内核格式组成，并以此推导该动词的其它特性。拖拉机控制的动态过程包括获得指令、语言理解和执行指令3个环节，各环节又由若干子程序组成。为此，本文建立拖拉机控制的动词知识库，确定动态事件的顺序和联系，然后进行聚类。语句中其它类单词用于增加理解精确度，为分析推理过程的提供限制条件，或者帮助推理结果转化为可识别命令，以便获得准确的英语语言理解结果。

表1 部分动词模板

3 控制功能

英语语言理解对拖拉机的智能控制是分析理解操作者的意图，根据动词聚类结果设定限制条件，通过推理获得操作指令并执行。基于动词聚类的步骤先后为建立拖拉机动词概念从属树，建立过程树事实和建立静/动态事件事实，各个功能具有独特的静/动态事件。

拖拉机路径规划是在作业区域不规则的情况下，根据指定的作业方向，计算获得最优的作业路径，以达到减少行驶距离的效果。路径规划的代表事件有：

Static event (Event name: obtain information)，(Standard verb: collect)，(Objective: field shape evaluation)， (Mode: reference) (start: yes)， (End: lank)， (Abidance: blank)，(Result: yes)。

Static event (Event name: path information) ，(Standard verb: optimize) ，(Objective: reduce expand)，(Mode: calculate) ，(Start: yes)，(End: blank)，(Abidance: yes)，(Result: yes)。

定位导航是采用北斗等定位技术，获得农机的位置，观测偏离预定路径的距离，并进行实时修正。定位导航的代表事件有：

Static event (Event name: data observation) (Standard verb: locate)，(Objective: obtain position of machine)，(Mode: wireless)，(Start: yes)，(End: blank)，(Abidance: blank)，(Result: blank)。

Static event (Event name: machine navigation)，(Standard verb: correct)，(Objective: path adjusting)，(Mode: angle of deviation)，(Start: yes)，(End: yes)，(Abidance: yes)，(Result: yes)。

视觉感知构建全向视觉平台，拍摄分析复杂的作业环境，实现对作业目标、行驶路径和障碍物的识别。视觉感知的代表事件有：

Static event (Event name: camera turning on)，(Standard verb: accelerate)，(Objective: image capture)，(Mode: machine vision)，(Start: yes)，(End blank)，(Abidance: yes)，(Result: yes)。

(Dynamic event (Event name: cut apart) ，(Standard verb: recognize)，(Objective: target extraction)，(Mode: analysis)，(Start: yes)，(End: blank)，(Abidance: blank)，(Result: yes)。

自主行驶是赋予农机自主决策能力，使其在复杂作业环境下通过转向、加速、离合和制动等操作仍能精确运行。自主行驶的代表事件有：

Static event (Event name: independent decision-making)，(Standard: decide)，(Objective: ability obtaining)，(Mode: endowing)，(Start: blank)，(End yes)，(Abidance: yes)，(Result: yes)。

Dynamic event (Event name: turn forward) (Standard verb: turn)，(Objective: automatically run)，(Mode: operation)，(Start: yes)，(End: yes)，(Abidance: blank)，(Result: yes)。