目录
✅引言
✅近端策略优化(PPO)强化学习简介
✅四足机器人模型
✅四足机器人步态控制
✅MATLAB程序与测试结果
✅总结
💥FPGA/MATLAB/Simulink学习教程
四足机器人在复杂地形中的移动能力使其在搜救、探险和军事等领域具有广泛的应用前景。步态控制是四足机器人运动控制的核心问题之一,它决定了机器人的稳定性和效率。近年来,强化学习(Reinforcement Learning, RL)在机器人控制领域取得了显著进展,其中近端策略优化(Proximal Policy Optimization, PPO)算法因其稳定性高、收敛速度快等优点而备受关注。
在PPO中,智能体的策略πθ(a∣s)由一个参数化的概率分布表示,s表示当前状态,a表示采取的动作。此外,还有一个价值函数Vϕ(s),它预测从当前状态开始的未来累积奖励。
PPO算法定义了一种新的目标函数,其可以通过多个训练步骤进行小批量的更新,从而解决了传统策略梯度算法中的步长选择问题。其实现复杂度远低于TRPO算法。PPO通过限制策略更新的幅度来提高训练的稳定性。具体来说,PPO的目标函数为:
上述过程中,CLIP函数可以用如下两个图来表示:
从上图可以知道,PPO进行了clip函数进行裁剪操作,新的策略相对于旧的策略不可能大幅度的提高,可以防止策略过度更新。
考虑一个四足机器人,其动力学模型可以表示为:
四足机器人的状态空间通常包括关节角度、关节角速度、躯干姿态和位置等信息:
动作空间通常由关节力矩组成:
状态:包括关节角度、关节角速度、躯干姿态、位置、速度等。
动作:关节力矩。
奖励函数的设计对于步态控制至关重要。常见的奖励项包括:
平衡奖励:鼓励机器人保持平衡,如最小化躯干高度变化、角速度等。
前进奖励:鼓励机器人向前移动,如最大化工件前进距离。
能耗奖励:鼓励低能耗,如最小化关节力矩的平方和。
平滑奖励:鼓励动作平滑,如最小化关节角度和角速度的变化率。
一个典型的奖励函数可以表示为:
使用MuJoCo引擎,并通过MATLAB接口进行交互。假设已经安装了MuJoCo和相关的MATLAB工具箱。
% 加载模型model = MjModel('path_to_your_model.xml');data = MjData(model);% 初始化可视化viz = MjViz(model, data);
定义两个网络:一个是策略网络(Actor),另一个是价值网络(Critic)。
% 定义策略网络actor = [featureInputLayer(numStateDimensions, 'Name', 'state')fullyConnectedLayer(64, 'Name', 'fc1')reluLayer('Name', 'relu1')fullyConnectedLayer(numActionDimensions, 'Name', 'fc2')softmaxLayer('Name', 'softmax')];% 定义价值网络critic = [featureInputLayer(numStateDimensions, 'Name', 'state')fullyConnectedLayer(64, 'Name', 'fc1')reluLayer('Name', 'relu1')fullyConnectedLayer(1, 'Name', 'value')];% 设置优化器options = trainingOptions('adam', 'InitialLearnRate', 0.001, 'MaxEpochs', 100);actorNet = trainNetwork(actor, [], options);criticNet = trainNetwork(critic, [], options);
实现PPO算法的主要步骤,包括数据收集、优势函数计算、策略更新等。
参数设置gamma = 0.99; % 折扣因子lambda = 0.95; % GAE衰减因子epsilon = 0.2; % 剪裁参数c1 = 0.5; % 价值函数损失权重c2 = 0.01; % 熵正则项权重batchSize = 64;numEpisodes = 1000;训练循环for episode = 1:numEpisodes重置环境data);初始化存储states = [];actions = [];rewards = [];values = [];logProbs = [];dones = [];采集轨迹while ~isDone(model, data)state = getState(model, data);logProb] = getAction(state, actorNet);value = getValue(state, criticNet);执行动作reward = stepEnv(model, data, action);存储数据states = [states; state];actions = [actions; action];rewards = [rewards; reward];values = [values; value];logProbs = [logProbs; logProb];dones = [dones; isDone(model, data)];end计算GAE和目标值nextValue = 0;advantages = zeros(size(rewards));returns = zeros(size(rewards));for t = length(rewards):-1:1delta = rewards(t) + gamma * nextValue * (1 - dones(t)) - values(t);= delta + gamma * lambda * (1 - dones(t)) * nextValue;= advantages(t) + values(t);nextValue = advantages(t);end更新策略和价值网络for epoch = 1:4idx = randperm(length(states), batchSize);batchStates = states(idx, :);batchActions = actions(idx, :);batchAdvantages = advantages(idx, :);batchReturns = returns(idx, :);batchLogProbs = logProbs(idx, :);计算旧策略的概率oldLogProbs = getLogProb(batchStates, batchActions, actorNet);计算新策略的概率entropy] = getLogProb(batchStates, batchActions, actorNet, true);计算比率ratios = exp(newLogProbs - oldLogProbs);计算剪裁后的目标surr1 = ratios .* batchAdvantages;surr2 = min(ratios, 1 + epsilon) .* batchAdvantages;policyLoss = -mean(min(surr1, surr2));价值函数损失valueLoss = mean((getValue(batchStates, criticNet) - batchReturns).^2);总损失totalLoss = policyLoss + c1 * valueLoss - c2 * mean(entropy);更新网络totalLoss);totalLoss);end打印训练信息: %d, Total Reward: %.2f\n', episode, sum(rewards));end
测试结果如下:
基于PPO算法的AGV路径跟踪控制策略通过不断学习和调整策略,使得AGV能够在给定路径上精确行驶。通过合理的状态表示、动作空间定义及奖励函数设计,PPO算法能够有效地应对复杂环境下的路径跟踪问题。随着更多数据的积累和算法的优化,AGV的路径跟踪性能将进一步提升,从而实现在工业自动化等领域的广泛应用。
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FPGA/MATLAB/Simulink教程
博主从事MATLAB算法仿真工作15年,从事FPGA方面系统开发工作12余年。擅长解决各种算法仿真、建模、通信、图像处理、AI、智能控制等。博主在CSDN博客通过多年撰写,目前编写了FPGA/MATLAB/Simulink学习教程4册。有兴趣的同学朋友可以点击如下文章链接具体了解。
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