基于DDPG的飛行器智能避障仿真應(yīng)用研究

張仕充，時(shí)宏偉

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065）

0 引言

飛行器的智能避障指的是在存在障礙物的三維空間環(huán)境中，從出發(fā)點(diǎn)自主避開多個(gè)障礙物體順利達(dá)到目標(biāo)位置的過程。飛行器具有智能避障的能力在無人機(jī)導(dǎo)航、農(nóng)業(yè)無人機(jī)作業(yè)、無人機(jī)救援、民航二次雷達(dá)監(jiān)視以及戰(zhàn)場態(tài)勢感知決策等場景下具有十分重要的應(yīng)用意義。

目前，在類似的避障路徑規(guī)劃問題中，已經(jīng)有多種解決算法，例如遺傳算法[1]、蟻群算法[2]等啟發(fā)式算法。但是這些算法存在觀察維度低、局部收斂、動(dòng)作選擇空間離散化以及計(jì)算量太大等問題，很難運(yùn)用在飛行器的智能避障場景下。而強(qiáng)化學(xué)習(xí)[3]作為機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)熱門研究領(lǐng)域，其基本思想是通過智能體與環(huán)境進(jìn)行交互，從環(huán)境中獲取一定的獎(jiǎng)賞值，通過最大化地累計(jì)獎(jiǎng)賞值并進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而找到物體到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)的最優(yōu)策略。其基本過程如圖1所示。飛行器的態(tài)勢處于一個(gè)連續(xù)變化空間中，并且其在三維空間中進(jìn)行動(dòng)作選擇的空間也是一個(gè)連續(xù)空間。傳統(tǒng)的基于值函數(shù)的Q-learning[4]和SARSA的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法解決連續(xù)變化空間的問題是通過將狀態(tài)動(dòng)作值離散映射到一個(gè)Q表中，而連續(xù)動(dòng)作空間和狀態(tài)空間使用Q表進(jìn)行存取是一種非常耗內(nèi)存并且低效的一種方式。為了改進(jìn)使用Q表的缺點(diǎn)，相關(guān)研究提出了Deep Q Network（DQN）算法[5]，該算法使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對(duì)狀態(tài)值進(jìn)行擬合，代替Q表，提高了狀態(tài)動(dòng)作空間映射效率且大大減少存儲(chǔ)占用空間。與前文提到的啟發(fā)式算法類似，DQN算法雖然效率更高，但是在面對(duì)高維觀察空間里，同樣只能處理離散和低維的動(dòng)作空間。在飛行器避障等需要連續(xù)動(dòng)作控制的任務(wù)下，確定性策略梯度（De?terministic Policy Gradient，DPG）能夠很好地解決連續(xù)動(dòng)作輸出的場景[6]，本文結(jié)合DQN算法和DPG算法，使用基于演員-評(píng)論家算法[7]（actor-critic）的深度確定性策略梯度（Deep Deterministic Policy Gradient，DDPG）算法[8]應(yīng)用于飛行器自主避障場景并對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明該算法能夠較好地學(xué)習(xí)連續(xù)動(dòng)作空間的策略，進(jìn)而為飛行器智能避障等連續(xù)動(dòng)作控制場景提供一定的指導(dǎo)性意義。

圖1 強(qiáng)化學(xué)習(xí)基本過程

1 算法原理

在強(qiáng)化學(xué)習(xí)過程中，智能體和環(huán)境在各個(gè)時(shí)刻進(jìn)行交互，在每個(gè)時(shí)刻t，智能體會(huì)感知到環(huán)境觀測xt，執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作at以及環(huán)境獎(jiǎng)勵(lì)rt，環(huán)境被完全觀察到時(shí)，st=xt。

一個(gè)智能體的行為被定義為策略π，該策略會(huì)把狀態(tài)映射到動(dòng)作空間的一個(gè)概率分布上π:S→P(A)。在強(qiáng)化學(xué)習(xí)概念中，算法模型使用狀態(tài)空間S，動(dòng)作空間A=RN，初始的狀態(tài)分布p(s1)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率p(st+1|st,at)以及獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)r(st,at)來進(jìn)行一個(gè)馬爾可夫決策過程建模。將行為策略π應(yīng)用于馬爾可夫過程來定義一個(gè)馬爾可夫鏈，用Eπ表示該馬爾科夫鏈的期望值。狀態(tài)的總回報(bào)定義為：

學(xué)習(xí)過程的回報(bào)取決于策略π。強(qiáng)化學(xué)習(xí)的目標(biāo)是學(xué)習(xí)一種策略，該策略可以使初始狀態(tài)Eπ[R1]的期望獎(jiǎng)勵(lì)最大化。

智能體所獲得的累積回報(bào)用狀態(tài)動(dòng)作值函數(shù)Qπ（公式2）表示。動(dòng)作狀態(tài)值函數(shù)表示在當(dāng)前狀態(tài)s下執(zhí)行動(dòng)作a，并且一直遵循策略π到回合結(jié)束，在整個(gè)過程中智能體所獲得的累積回報(bào)。

傳統(tǒng)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法中使用Bellman迭代方程求解動(dòng)作狀態(tài)值函數(shù)：

如果目標(biāo)策略是確定的，用函數(shù)μ:S←A表示，進(jìn)一步將上述方程轉(zhuǎn)化為：

期望僅僅取決于環(huán)境，這就意味著能夠通過不同行為策略μ'產(chǎn)生的狀態(tài)值轉(zhuǎn)換樣本來學(xué)習(xí)Qμ。

Q-learning作為一個(gè)常用的離線算法[4]，它使用貪婪策略（greedy policy）：μ(s)=arg maxaQ(s,a)，使用由θQ參數(shù)化的函數(shù)逼近器，并通過最小化損耗來對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化：

如果直接將Q-learning用于連續(xù)的動(dòng)作空間是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樵谶B續(xù)的動(dòng)作空間找到貪婪策略需要在每一個(gè)時(shí)間步進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于大型的、無限的動(dòng)作空間，優(yōu)化太慢且實(shí)用性不高。

確定性策略梯度算法（Deterministic Policy Gradi?ent，DPG）維護(hù)一個(gè)參數(shù)化動(dòng)作函數(shù)μ(s|θμ)，該函數(shù)通過將狀態(tài)確定性地映射到特定動(dòng)作來指定當(dāng)前策略[6]。在DPG的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用actor-critic方法，其中，critic使用Bellman方程學(xué)習(xí)，actor網(wǎng)絡(luò)參數(shù)則通過將鏈?zhǔn)揭?guī)則應(yīng)用于公式（4）來更新：

引入非線性函數(shù)逼近器（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的缺點(diǎn)是收斂性不能得到保證，同時(shí)，這樣的逼近器為學(xué)習(xí)和生成大規(guī)模的狀態(tài)空間是有必要的。DDPG允許神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來在線學(xué)習(xí)大規(guī)模的狀態(tài)和動(dòng)作空間。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的一個(gè)挑戰(zhàn)是大多數(shù)優(yōu)化算法都假設(shè)樣本是獨(dú)立同分布（Independently and Identically Distributed，IID）的，然而當(dāng)訓(xùn)練樣本來自于環(huán)境中的連續(xù)過程時(shí)，不能保證樣本具有獨(dú)立同分布的性質(zhì)。

DDPG通過使用經(jīng)驗(yàn)重放機(jī)制（replay buffer）來解決這些問題。經(jīng)驗(yàn)池是一個(gè)固定大小且有限的內(nèi)存R。根據(jù)探索策略（exploration policy），狀態(tài)轉(zhuǎn)換樣本采樣于環(huán)境和經(jīng)驗(yàn)池。當(dāng)經(jīng)驗(yàn)池填滿的時(shí)候?qū)?huì)拋棄掉最早存入的樣本。DDPG是一種離線（off-policy）算法，允許算法能夠從一系列不相關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換樣本中學(xué)習(xí)。

在很多環(huán)境中，算法直接用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)Q-learn?ing被證明是不穩(wěn)定的[9]。因?yàn)檎诟碌木W(wǎng)絡(luò)Q(s,a|θQ)也被用于計(jì)算目標(biāo)值yt（見公式6），Q的更新容易不收斂。DDPG算法的解決方式是修改actor-critic和使用軟更新（soft target updates）。DDPG算法模型分別創(chuàng)建了一個(gè)actor和critic網(wǎng)絡(luò)的副本（Q'(s,a|θQ')和μ'(s|θμ')）。用副本網(wǎng)絡(luò)計(jì)算目標(biāo)值，這些目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重參數(shù)通過跟蹤學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)延遲更新：

θ'←τθ+(1 -τ)θ',τ?1。通過這種方式，目標(biāo)值的改變速度被限制得較慢，由此提高了學(xué)習(xí)穩(wěn)定性，使學(xué)習(xí)動(dòng)作值函數(shù)的相對(duì)不穩(wěn)定的問題更接近于監(jiān)督學(xué)習(xí)。DDPG算法的完整描述[8]。

DDPG算法描述：

2 模擬仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 狀態(tài)空間設(shè)計(jì)

狀態(tài)空間（state observation）在強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法中主要是對(duì)現(xiàn)實(shí)狀態(tài)環(huán)境進(jìn)行描述。在飛行器避障過程中，基本的狀態(tài)則包括飛行器的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高度（lng，lat，hei ght）以及速度（velocity）。實(shí)驗(yàn)中，速度是矢量，此處可以分解成三維坐標(biāo)上的分速度：(velocitylng,velocity lat,velocity height)。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，將經(jīng)緯度坐標(biāo)和高度等信息采用三維坐標(biāo)系表示，將可變環(huán)境觀測描述為：

state=[lng,lat,height,velocitylng,velocity lat,velocity height]

以上的觀測為可變環(huán)境狀態(tài)，除此之外，還有障礙物的屬性，即高度和經(jīng)緯度坐標(biāo)，對(duì)于障礙物信息的狀態(tài)觀測信息，屬于不可變的環(huán)境信息。在實(shí)驗(yàn)中，障礙物信息硬編碼在交互環(huán)境中，在交互過程中，根據(jù)飛行器的狀態(tài)給與獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰。

2.2 決策空間設(shè)計(jì)

決策空間（action space）指的是智能體做能夠采取的動(dòng)作空間。在飛行器的避障過程中，主要是飛行器的狀態(tài)改變。因此決策行為就是改變飛行器的運(yùn)動(dòng)速度，結(jié)合狀態(tài)空間的做法，在智能體做決策時(shí)，主要改變的三維立體坐標(biāo)分速度的變化量，通過這個(gè)變化量使得環(huán)境的狀態(tài)（飛行器的實(shí)時(shí)狀態(tài)）被改變。單步動(dòng)作表示為：

2.3 環(huán)境交互規(guī)則

環(huán)境是智能體交互的空間，智能體通過與環(huán)境交互來得到獎(jiǎng)賞值，從而影響智能體的動(dòng)作。在環(huán)境中，主要的部分是定義飛行器如何獲得獎(jiǎng)懲的方式以及初始化環(huán)境狀態(tài)。通過定義和編寫step函數(shù)來實(shí)現(xiàn)智能體的每一步動(dòng)作來獲得獎(jiǎng)懲值并且改變環(huán)境的狀態(tài)。在實(shí)現(xiàn)中，將動(dòng)作傳入后，計(jì)算新的環(huán)境狀態(tài)，根據(jù)該環(huán)境狀態(tài)來計(jì)算獎(jiǎng)勵(lì)值的大小：如果智能體已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)位置，則給與較大獎(jiǎng)勵(lì)值，回合結(jié)束；如果智能進(jìn)去障礙物區(qū)域，則給予較大的懲罰值（負(fù)的獎(jiǎng)勵(lì)值），回合結(jié)束。除了以上兩種情況，為了讓每一步智能體都有所獎(jiǎng)勵(lì)，交互環(huán)境根據(jù)智能體位置和目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)距離來進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)值的計(jì)算。假設(shè)獎(jiǎng)勵(lì)值是越大越好，交互環(huán)境根據(jù)飛行器位置與目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)距離的相反數(shù)給獎(jiǎng)勵(lì)值，流程如圖2所示。

圖2 環(huán)境交互規(guī)則流程

環(huán)境狀態(tài)的更新方法如公式（8）、公式（9），飛行器新的速度等于原速度與速度變化量相加。新的坐標(biāo)等于原坐標(biāo)與單位時(shí)間速度相加。

在飛行器的每一步運(yùn)行中所得的獎(jiǎng)勵(lì)值計(jì)算方法如式（10）-式（11）：

O表示出發(fā)點(diǎn)位置，L表示飛行器當(dāng)前位置，G表示目標(biāo)點(diǎn)。負(fù)值獎(jiǎng)勵(lì)表示距離目標(biāo)位置越近，獎(jiǎng)勵(lì)越大；e表示碰撞障礙物之后獎(jiǎng)勵(lì)值的懲罰項(xiàng)，為常數(shù)。

2.4 實(shí)驗(yàn)

本文的應(yīng)用背景設(shè)定為在三維空間中，飛行器從起始點(diǎn)自主達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)范圍。在空間中存在多個(gè)障礙物體，當(dāng)飛行器與障礙物體接觸時(shí)任務(wù)失敗。算法的訓(xùn)練目標(biāo)是不斷調(diào)整飛行器的運(yùn)動(dòng)屬性，使得飛行器全程均能避過障礙體區(qū)域，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)范圍，即可完成任務(wù)設(shè)定的目標(biāo)。初始化場景如圖3所示，紅色點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，綠色點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，其他深色長方體為障礙物，他們均在同一直線上。

圖3 初始化場景設(shè)定

由算法（表1）實(shí)現(xiàn)的DDPG網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，其中actor、critic、target_actor、target_critic網(wǎng)絡(luò)為三層全連接網(wǎng)絡(luò)，隱藏層均使用ReLU激活函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗(yàn)重放池容量為10000，獎(jiǎng)勵(lì)折扣系數(shù)為0.99，優(yōu)化器為Adam，學(xué)習(xí)率（learning rate）為0.01，單次訓(xùn)練樣本數(shù)（batch size）為32。

圖4 DDPG網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

2.5 仿真結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)通過DDPG算法與同樣是基于連續(xù)動(dòng)作空間選擇的傳統(tǒng)DPG算法進(jìn)行對(duì)比，兩種算法均在同一交互環(huán)境中運(yùn)行。圖5所示為傳統(tǒng)DPG算法的回合累積獎(jiǎng)勵(lì)變化曲線，圖6所示為DDPG算法的回合累積獎(jiǎng)勵(lì)變化曲線。縱坐標(biāo)表示從單個(gè)回合開始到結(jié)束的回合累積獎(jiǎng)勵(lì)值，橫坐標(biāo)表示回合序號(hào)。每個(gè)回合運(yùn)行步數(shù)為1800步，單步獎(jiǎng)勵(lì)根據(jù)公式（11）計(jì)算得出，由于初始狀態(tài)的出發(fā)點(diǎn)并不在目標(biāo)點(diǎn)，兩點(diǎn)之間存在初始距離，所以每回合累積獎(jiǎng)勵(lì)不會(huì)為0。

圖5 傳統(tǒng)DPG算法回合累積獎(jiǎng)勵(lì)

圖6 DDPG算法回合累積獎(jiǎng)勵(lì)

從回合累積折扣獎(jiǎng)勵(lì)看來，傳統(tǒng)DPG算法的回合累積獎(jiǎng)勵(lì)在240回合之前不太穩(wěn)定，之后穩(wěn)定在-13800左右；DDPG算法在經(jīng)過170回合后的回合累積獎(jiǎng)勵(lì)趨于一個(gè)平穩(wěn)值，在-4000左右，由此一直穩(wěn)定到所有回合結(jié)束。根據(jù)公式（11）定義的單步獎(jiǎng)勵(lì)所積累的回合獎(jiǎng)勵(lì)也從側(cè)面反映了規(guī)劃路徑距離和最佳路徑（起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)直線距離）之間的差距。從圖5、圖6可以看出，傳統(tǒng)DPG算法在240回合之后累積獎(jiǎng)勵(lì)絕對(duì)值比DDPG算法在170回合之后累積獎(jiǎng)勵(lì)絕對(duì)值大。這也體現(xiàn)出傳統(tǒng)DPG算法規(guī)劃的路徑與理想最佳路徑之間的最終差距比DDPG算法所規(guī)劃路徑的較大。

DPG算法第300回合結(jié)束生成的路徑如圖7所示，因?yàn)閱蝹€(gè)回合步數(shù)限制，在單個(gè)回合結(jié)束之后沒有到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)位置。DDPG算法在300回合時(shí)生成的規(guī)劃路徑如圖8所示。從出發(fā)點(diǎn)幾乎直線達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)，由于三維圖像的視角因素，該路線經(jīng)過最低障礙物上方，其余障礙物下方達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)位置，并不是直線。觸碰到障礙物體時(shí)會(huì)導(dǎo)致回合結(jié)束，不會(huì)產(chǎn)生到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的完整路徑。在這兩種生成的路徑規(guī)劃圖中，均有一定的走向目標(biāo)地點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢。但是DDPG得益與Q'網(wǎng)絡(luò)和μ'網(wǎng)絡(luò)的糾正效果以及經(jīng)驗(yàn)重放單元，收斂性較為凸出，網(wǎng)絡(luò)整體學(xué)習(xí)效果較高，DDPG算法比傳統(tǒng)的DPG算法在相同的飛行器避障環(huán)境下路徑的生成效果較優(yōu)秀，而且所需要訓(xùn)練的回合數(shù)較少，所以在飛行器智能避障的連續(xù)動(dòng)作控制場景中，DDPG算法具有一定的應(yīng)用指導(dǎo)價(jià)值。

圖7 傳統(tǒng)DPG規(guī)劃路徑

圖8 DDPG規(guī)劃路徑

3 結(jié)語

人工智能的主要目標(biāo)之一就是利用未經(jīng)處理的高維傳感數(shù)據(jù)來解決復(fù)雜的任務(wù)。強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法DQN的提出，使得機(jī)器的智能程度在某些游戲上能夠達(dá)到或超越人類的游戲水平。但是DQN主要處理離散低維動(dòng)作空間。而現(xiàn)實(shí)生活場景中，存在了各種各樣的連續(xù)控制問題和需求。通過DQN結(jié)合用于連續(xù)動(dòng)作選擇的DPG算法，DDPG吸收這兩種算法各自的優(yōu)勢。相比較傳統(tǒng)的DPG算法，在連續(xù)動(dòng)作控制上，產(chǎn)生了更好的效果。本文基于DDPG的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)飛行器在空間多障礙體環(huán)境中進(jìn)行智能避障，到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。飛行器的飛行控制的動(dòng)作選擇是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)作空間，該場景和DDPG算法適用場景一致，通過仿真模擬研究，實(shí)驗(yàn)效果較明顯。