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来源 | 知乎
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导读:本文选自知乎,作者详细介绍了基于深度强化学习(Deep Reinforcement Learning, DRL)的无人车自适应路径规划方法,并在无障碍环境、静态障碍环境、动态障碍环境下都取得了不错的效果。
目录
1. 前言
2. 主要研究内容
3. D3QN PER算法
----3.1 DQN算法
----3.2 Double DQN算法
----3.3 Dueling DQN算法
----3.4 优先经验回放
4. 环境特征融合方案
----4.1 自身状态信息处理方法
----4.2 激光雷达点云信息处理方法 ----4.3 视觉图像信息处理方法----4.4 环境特征融合方案
5. 实验环境
----5.1 仿真实验环境的搭建 ----5.2 小车的动作空间划分 ----5.3 算法参数设置 ----5.4 奖励函数的设置6. 效果展示
----6.1 无障碍环境
----6.2 静态障碍环境
----6.3 5个静态障碍+5个动态障碍环境
----6.4 10个动态障碍环境
7. 完整代码
----7.1 Software
----7.2 Installation
--------7.2.1 解决pointgrey_camera_driver编译不过的问题
前言
初衷是,在环境不是完全已知的情况下,希望行星车具备一定的自适应能力,应对环境发生的变化。所以,基于深度强化学习(Deep Reinforcement Learning, DRL)理论提出了端到端的路径规划方法,直接从传感器信息映射出动作指令再发布给行星车。同时采用不同的神经网络结构分别处理不同的传感器信息,最后将环境特征融合在一起,构成基于D3QN PER的多传感器行星车路径规划方法。
主要研究内容
主要研究内容如图:技术途径:
D3QN PER算法 关于强化学习的一些基础知识,推荐大家去看专栏中关于David Silver课程的笔记:3.1 DQN算法 直接来看DQN的损失函数: 其中, 是目标Q网络,参数为 ,负责生成训练过程中的目标,即目标Q值 ; 是当前Q网络,参数为 ;值得注意的是, 和 的网络结构完全一致。 每训练C步,将当前Q网络的参数完全复制给目标Q网络,那么,接下来C步参数更新的目标将由更新后的目标Q网络负责提供。 具体的实施步骤请参见上图~ 3.2 Double DQN算法 Double DQN算法主要是为了解决DQN算法中严重的过估计问题,它将目标Q值中动作的选择和动作的评估分开,让它们使用不同的Q网络。 先看Double-DQN中的目标Q值: 当前Q网络负责选择动作,而带有“延迟效应”的目标Q网络用来计目标Q值,具体的实施步骤请参见上图搬砖的旺财:David Silver 增强学习——笔记合集(持续更新)
https://zhuanlan.zhihu.com/p/50478310
3.3 Dueling DQN算法
Dueling DQN相比于DQN在网络结构上做出了改进,在得到中间特征后“兵分两路”,一路预测状态值函数,另一路预测相对优势函数,两个相加才是最终的动作值函数。
3.4 优先经验回放 在DQN中使用经验回放的动机是:作为有监督学习模型,深度神经网络要求数据满足独立同分布假设;但样本来源于连续帧,这与简单的RL问题相比样本的关联性增大了不少。假如没有经验回放,算法在连续一段时间内基本朝着同一个方向做梯度下降,那么在同样的步长下这样直接计算梯度就有可能不收敛。所以经验回放的主要作用是: 克服经验数据的相关性,减少参数更新的方差;环境特征融合方案
4.1 自身状态信息处理方法
自身状态信息的表示方法请参见上图,它可以表示为一个数组 ,其中, 和 为 时刻小车的速度和角速度信息, 和 为 时刻小车相对终点的距离和角度信息。自身状态信息时刻指引着小车向终点移动。 4.2 激光雷达点云信息处理方法LIDAR产生的点云属于长序列信息,比较难直接拆分成一个个独立的样本来通过CNN进行训练。所以采用LSTM网络来处理LIDAR点云信息,其中cell单元为512个,具体的网络结构如下图所示:
为了方便,控制LIDAR输出的点云信息为360维,更新频率是50赫兹,探测范围为 ,探测距离为 ,单位是米,如下图所示:4.3 视觉图像信息处理方法
尽管LIDAR擅长测量障碍物的距离和形状,但它实际上并不能用于确定障碍物的类型。计算机视觉可通过分类来完成这项任务, 即给定相机的图像,可以标记图像中的对象。
本文采用CNN处视觉图像信息。输入图像 经过预处理和叠帧(4 帧)后变为 的单通道灰色图。
这里共采用了三个卷积层,它们分别是 conv1、conv2 和 conv3,具体参数如下:
卷积层的输入输出示意图如下: 4.4 环境特征融合方案环境实验
5.1 仿真实验环境的搭建
基于ROS及Gazebo搭建的仿真实验环境的框架如图所示:
基于此,可以改变Gazebo中的仿真环境,例如加入不同的障碍,也可以改变小车搭载的传感器。关于如何使Gazebo的仿真速度加快 10 倍,请参考:
搬砖的旺财:将Gazebo的仿真速度加快10倍!!!
https://zhuanlan.zhihu.com/p/59702590
5.2 小车的动作空间划分
5.3 算法参数设置-贪婪法的参数从初始值1.0开始按照训练步数线性下降 。
很有意思的一件事情,经过测试发现,记忆池的大小和训练步数保持10倍的关系是最好的~
5.4 奖励函数的设置
效果展示
6.1 无障碍环境
6.2 静态障碍环境
6.3 5个静态障碍+5个动态障碍环境
6.4 10个动态障碍环境
视频1:
https://v.qq.com/x/page/g3104n5ortq.html
视频2:
https://v.qq.com/x/page/q3104y6cdjz.html
完整代码
请点击:CoderWangcai/DRL_Path_Planning
https://github.com/CoderWangcai/DRL_Path_Planning
1、Software
Ubuntu 16.04
ROS Kinect
Python 2.7.12
Tensorflow 1.12.0
git clone github.com/CoderWangcai
(PS:这一步请耐心等待,训练好的model比较大~)
cd DRL_Path_Planningcatkin_make
没问题啦,整个文件夹都编译过了~如有问题请提issue~
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