基于deep Q-network双足机器人非平整地面行走稳定性控制方法

针对双足机器人在非平整地面行走时容易失去运动稳定性的问题,提出一种基于一种基于价值的深度强化学习算法DQN（Deep Q-Network）的步态控制方法。首先通过机器人步态规划得到针对平整地面环境的离线步态,然后将双足机器人视为一个智能体,建立机器人环境空间、状态空间、动作空间及奖惩机制,该过程与传统控制方法相比无需复杂的动力学建模过程,最后经过多回合训练使双足机器人学会在不平整地面进行姿态调整,保证行走稳定性。在V-Rep仿真环境中进行了算法验证,双足机器人在非平整地面行走过程中,通过DQN步态调整学习算法,姿态角度波动范围在3°以内,结果表明双足机器人行走稳定性得到明显改善,实现了机器人的姿态调整行为学习,证明了该方法的有效性。     

基于深度Q网络的仿人机器人步态优化

为实现仿人机器人快速稳定的行走，在满足有效参数组合的条件下，提出一种基于深度强化学习的步行参数训练算法以优化机器人步态。首先，从环境中捕获机器人步态模型参数作为DQN的输入；然后，用DQN来拟合机器人行走产生的状态-动作值函数；最后，通过动作选择策略选择当前机器人执行的步态动作，同时产生奖励函数达到更新DQN的目的。选择NAO仿真机器人为实验对象，在RoboCup3D仿真平台上进行实验，结果证明在此算法下，NAO仿人机器人可以获得稳定的双足步行。     

基于改进的DQN机器人路径规划

针对深度Q学习算法在机器人路径规划中的过估计问题,提出一种动态融合深度双Q算法(dynamic target doub-le deep Q network,DTDDQN).通过动态融合DDQN和平均DQN的先验知识进行网络参数训练,前期以较大权重的DDQN优化目标对估计网络进行网络训练和先验知识的积累,随着学习的深入,增大平均DQN的优化目标对网络训练的权重,使网络输出的Q值更加接近真实Q值,减少过估计对机器人在选择动作时的影响,达到所选策略最优.仿真对比结果表明,DTDDQN算法在路径规划中能更好解决过估计问题,在动作选择方面以及规划路径长度方面都有一定提升.     

基于二阶时序差分误差的双网络DQN算法

针对深度Q网络(DQN)算法因过估计导致收敛稳定性差的问题,在传统时序差分(TD)的基础上提出N阶TD误差的概念,设计基于二阶TD误差的双网络DQN算法。构造基于二阶TD误差的值函数更新公式,同时结合DQN算法建立双网络模型,得到两个同构的值函数网络分别用于表示先后两轮的值函数,协同更新网络参数,以提高DQN算法中值函数估计的稳定性。基于Open AI Gym平台的实验结果表明,在解决Mountain Car和Cart Pole问题方面,该算法较经典DQN算法具有更好的收敛稳定性。     

基于动态融合目标的深度强化学习算法研究

针对深度强化学习算法中存在的过估计问题,提出了一种目标动态融合机制,在Deep [Q] Networks（DQN）算法基础上进行改进,通过融合Sarsa算法的在线更新目标,来减少DQN算法存在的过估计影响,动态地结合了DQN算法和Sarsa算法各自优点,提出了DTDQN（Dynamic Target Deep [Q] Network）算法。利用公测平台OpenAI Gym上Cart-Pole控制问题进行仿真对比实验,结果表明DTDQN算法能够有效地减少值函数过估计,具有更好的学习性能,训练稳定性有明显提升。     

基于改进深度强化学习的三维环境路径规划

提出一种改进深度强化学习算法(NDQN),解决传统Q-learning算法处理复杂地形中移动机器人路径规划时面临的维数灾难。提出一种将深度学习融于Q-learning框架中,以网络输出代替Q值表的深度强化学习方法。针对深度Q网络存在严重的过估计问题,利用更正函数对深度Q网络中的评价函数进行改进。将改进深度强化学习算法与DQN算法在同样的三维环境下进行仿真实验,从最优路径长度、损失函数值、得到稳定的奖励值、收敛速度等方面进行对比,改进深度强化学习算法比DQN算法得到很大的改善,说明改进的算法比DQN算法寻得了更优的策略。     

基于深度Q网络的人群疏散机器人运动规划算法

针对公共场合密集人群在紧急情况下疏散的危险性和效果不理想的问题，提出一种基于深度Q网络（DQN）的人群疏散机器人的运动规划算法。首先通过在原始的社会力模型中加入人机作用力构建出人机社会力模型，从而利用机器人对行人的作用力来影响人群的运动状态；然后基于DQN设计机器人运动规划算法，将原始行人运动状态的图像输入该网络并输出机器人的运动行为，在这个过程中将设计的奖励函数反馈给网络使机器人能够在"环境-行为-奖励"的闭环过程中自主学习；最后经过多次迭代，机器人能够学习在不同初始位置下的最优运动策略，最大限度地提高总疏散人数。在构建的仿真环境里对算法进行训练和评估。实验结果表明，与无机器人的人群疏散算法相比，基于DQN的人群疏散机器人运动规划算法使机器人在三种不同初始位置下将人群疏散效率分别增加了16.41%、10.69%和21.76%，说明该算法能够明显提高单位时间内人群疏散的数量，具有灵活性和有效性。     

双足机器人跨越动态障碍物在线控制系统设计

在双足机器人跨越动态障碍物的在线控制问题中,脚步规划和步态控制的学习时间是关键问题;提出了一种将机器人的步态控制和脚步规划分别独立设计的控制策略;步态控制目的是产生关节点轨迹并控制对理想轨迹的跟踪,考虑到双足机器人关节点轨迹的不连续性,应用小脑模型连接控制CMAC记忆特征步态的关节点轨迹;脚步规划的控制目标是通过对环境的视觉感知预测机器人的运动路径,算法是基于无需对动态环境精确建模的模糊Q学习算法;仿真结果表明该控制策略的可行性,并且可以有效缩短在线学习时间。     

基于改进DQN算法的机器人路径规划

传统深度Q网络(DQN)算法通过融合深度神经网络和强化学习方法,解决了Q-learning算法在应对复杂环境时出现的维数灾难问题,被广泛应用于移动机器人的路径规划,但传统DQN算法的网络收敛速度较慢,路径规划效果较差,难以在较少的训练回合内获取最优路径。为了解决上述问题,提出一种改进的ERDQN算法。通过记录重复状态出现的频率,利用该频率重新计算Q值,使得在网络训练的过程中一种状态重复出现的次数越多,下一次出现该状态的概率越低,从而提高机器人对环境的探索能力,在一定程度上降低了网络收敛于局部最优的风险,减少了网络收敛的训练回合。根据机器人移动方向和机器人与目标点的距离,重新设计奖励函数。机器人在靠近目标点时能够获得正奖励,远离目标点时能够获得负奖励,并通过当前机器人的移动方向和机器人与目标点的距离调整奖励的绝对值,从而使机器人能够在避开障碍物的前提下规划出更优路径。实验结果表明,与DQN算法相比,ERDQN算法的平均得分提高了18.9%,规划出的路径长度和回合数减少了约20.1%和500。上述结果证明了ERDQN算法能够有效提高网络收敛速度及路径规划性能。     

采用DDPG的双足机器人自学习步态规划方法

为解决多自由度双足机器人步行控制中高维非线性规划难题,挖掘不确定环境下双足机器人自主运动潜力,提出了一种改进的基于深度确定性策略梯度算法（DDPG）的双足机器人步态规划方案。把双足机器人多关节自由度控制问题转化为非线性函数的多目标优化求解问题,采用DDPG算法来求解。为解决全局逼近网络求解过程收敛慢的问题,采用径向基（RBF）神经网络进行非线性函数值的计算,并采用梯度下降算法更新神经网络权值,采用SumTree来筛选优质样本。通过ROS、Gazebo、Tensorflow的联合仿真平台对双足机器人进行了模拟学习训练。经数据仿真验证,改进后的DDPG算法平均达到最大累积奖励的时间提前了45.7%,成功率也提升了8.9%,且经训练后的关节姿态角度具有更好的平滑度。     

改进深度强化学习的室内移动机器人路径规划

为了解决传统深度强化学习在室内未知环境下移动机器人路径规划中存在探索能力差和环境状态空间奖励稀疏的问题,提出了一种基于深度图像信息的改进深度强化学习算法。利用Kinect视觉传感器直接获取的深度图像信息和目标位置信息作为网络的输入,以机器人的线速度和角速度作为下一步动作指令的输出。设计了改进的奖惩函数,提高了算法的奖励值,优化了状态空间,在一定程度上缓解了奖励稀疏的问题。仿真结果表明,改进算法提高了机器人的探索能力,优化了路径轨迹,使机器人有效地避开了障碍物,规划出更短的路径,简单环境下比DQN算法的平均路径长度缩短了21.4%,复杂环境下平均路径长度缩短了11.3%。     

基于深度强化学习的双足机器人斜坡步态控制方法

为提高准被动双足机器人斜坡步行稳定性, 本文提出了一种基于深度强化学习的准被动双足机器人步态控制方法. 通过分析准被动双足机器人的混合动力学模型与稳定行走过程, 建立了状态空间、动作空间、episode过程与奖励函数. 在利用基于DDPG改进的Ape-X DPG算法持续学习后, 准被动双足机器人能在较大斜坡范围内实现稳定行走. 仿真实验表明, Ape-X DPG无论是学习能力还是收敛速度均优于基于PER的DDPG. 同时, 相较于能量成型控制, 使用Ape-X DPG的准被动双足机器人步态收敛更迅速、步态收敛域更大, 证明Ape-X DPG可有效提高准被动双足机器人的步行稳定性.     

深度强化学习及在路径规划中的研究进展

路径规划的目的是让机器人在移动过程中既能避开障碍物,又能快速规划出最短路径。在分析基于强化学习的路径规划算法优缺点的基础上,引出能够在复杂动态环境下进行良好路径规划的典型深度强化学习DQN（Deep Q-learning Network）算法。深入分析了DQN算法的基本原理和局限性,对比了各种DQN变种算法的优势和不足,进而从训练算法、神经网络结构、学习机制、AC（Actor-Critic）框架的多种变形四方面进行了分类归纳。提出了目前基于深度强化学习的路径规划方法所面临的挑战和亟待解决的问题,并展望了未来的发展方向,可为机器人智能路径规划及自动驾驶等方向的发展提供参考。     

Balance Control of a Biped Robot on a Rotating Platform Based on Efficient Reinforcement Learning

In this work, we combined the model based reinforcement learning (MBRL) and model free reinforcement learning (MFRL) to stabilize a biped robot (NAO robot) on a rotating platform, where the angular velocity of the platform is unknown for the proposed learning algorithm and treated as the external disturbance. Nonparametric Gaussian processes normally require a large number of training data points to deal with the discontinuity of the estimated model. Although some improved method such as probabilistic inference for learning control (PILCO) does not require an explicit global model as the actions are obtained by directly searching the policy space, the overfitting and lack of model complexity may still result in a large deviation between the prediction and the real system. Besides, none of these approaches consider the data error and measurement noise during the training process and test process, respectively. We propose a hierarchical Gaussian processes (GP) models, containing two layers of independent GPs, where the physically continuous probability transition model of the robot is obtained. Due to the physically continuous estimation, the algorithm overcomes the overfitting problem with a guaranteed model complexity, and the number of training data is also reduced. The policy for any given initial state is generated automatically by minimizing the expected cost according to the predefined cost function and the obtained probability distribution of the state. Furthermore, a novel Q(λ) based MFRL method scheme is employed to improve the policy. Simulation results show that the proposed RL algorithm is able to balance NAO robot on a rotating platform, and it is capable of adapting to the platform with varying angular velocity.      

人群环境中基于深度强化学习的移动机器人避障算法

为了控制移动机器人在人群密集的复杂环境中高效友好地完成避障任务,本文提出了一种人群环境中基于深度强化学习的移动机器人避障算法。首先,针对深度强化学习算法中值函数网络学习能力不足的情况,基于行人交互（crowd interaction）对值函数网络做了改进,通过行人角度网格（angel pedestrian grid）对行人之间的交互信息进行提取,并通过注意力机制（attention mechanism）提取单个行人的时序特征,学习得到当前状态与历史轨迹状态的相对重要性以及对机器人避障策略的联合影响,为之后多层感知机的学习提供先验知识;其次,依据行人空间行为（human spatial behavior）设计强化学习的奖励函数,并对机器人角度变化过大的状态进行惩罚,实现了舒适避障的要求;最后,通过仿真实验验证了人群环境中基于深度强化学习的移动机器人避障算法在人群密集的复杂环境中的可行性与有效性。