jasonplato / ray_robot

Reinforcement Learning Robot avoiding obstacles(Python + V_rep)

ray_robot

python + V_REP
V_REP is an open-source simulation platform for robotics.

• 代码文件

  action_selection.py
  agent.py
  example.py
  exp.py
  learning_process.py
  q_learning.py
  rl_vrep.py
  rlrobot.py
  robot.py
  task.py
  test.py
  DQN.py    
  

• V-REP中的场景文件

  demo.ttt    #目前主要是在这个场景中进行训练和测试
  python_vrep_obstacle_avoid.ttt  
  

• V-REP开发环境文件

  这些文件必须要包含在 import vrep 的项目文件夹中
  remoteApi.so
  simpleTest.py   #实际上没有影响
  vrep.py
  vrepConst.py
  vrep_python.py
  

• 如何训练

  Nature Q-learning: 
  在V-REP中打开场景并点击开始模拟后,运行 example.py
  训练的参数可以在 exp.py 中更改
  训练结果会保存在 policy_results.txt 中
  
  DQN:
  直接运行DQN.py就行
  

• 如何测试

  Nature Q-learning:
  在V-REP中打开场景并点击开始模拟后,运行 test.py
  

VERSION_1:

做法

只能通过最naive的方法控制小车避障，即读取小车身上的传感器距离数据(z轴)，若该距离小于一个阈值，则转向，具体转向的角度与该传感器相对于小车车身的角度有关。越是靠两侧的传感器检测到距离太近，转向的角度越大。此版本参照了V-REP Pioneer_3dx 小车模型的Lua脚本。

效果

小车几乎不会撞到障碍，但是由于使用的方法非常naive，小车在狭窄的地方为了避障会疯狂摇摆。另外，小车也不能驶入一个狭窄的路口（即使能容得下它通行），它检 测到这样的路口便会调转方向（是因为小车车头有8个传感器，排列密集）。

VERSION_2:

做法

使用强化学习方法，Natrue Q-Learning。

• 回报函数

  REWARDS = [-1, -0.1,-0.01, 1.0]
  if 2个以上的传感器距离数据 < 阈值 :
     r = REWARDS[0]
  else 1个或2个传感器距离数据 < 阈值 :
     r = REWARDS[1]
  else 如果小车移动的距离 >= 另一个阈值 ：
     r = REWARDS[3]
  else 
     r = REWARDS[2]
  

• 状态空间

  一开始非常纠结应该怎样设置状态空间，尝试过：将这8个传感器分为前、左、右三组，
  每组分别检测到与障碍物之间地距离为多少，是否超过阈值，以此来划分小车处于不同的状态。
  这种方法总觉得有点像是在背地图，不能应对随机的场景。
  后来参考了https://github.com/angelmtenor/RL-ROBOT 的状态空间设置，
  简单粗暴地将所有传感器检测到的距离等距地划分为几个状态，那么总状态数就是
  每个传感器等距划分出来的子状态数的 N 次方（N = 传感器数）。这种方法的状态空间将会很大，但是随机性更强。
  

• 动作空间

  动作空间就比较简单了，小车有两个轮，每个轮的速度即为一个动作，所以动作空间只需要 2 个动作即可。
  

• Q值迭代

  Q[S,A] = Q[S,A] + ALPHA * ( R + GAMMA * Q[S',A'] - Q[S,A] )
  

• 训练

  STEPS = 15000
  将学到的策略保存在 policy_results.txt 以用于测试。
  

问题

可能是由于训练的步数还不够多？小车在测试时还是显得很笨，能畅行通过的地方还在犹豫， 且由于只用了小车头部的8个传感器，小车对于尾部是否会撞到障碍物毫不知情。

改进

1. 尝试将小车尾部的传感器也加入进行学习，但是同时要试着减少状态空间。否则每加入一个传感器，状态空间都会指数增长。
2. 增大训练步数。
3. 调整 REWARDS
4. 调整阈值

VERSION_3：

做法

加入神经网络，即使用DQN方法。加入了尾部传感器（因为使用了NN所以不用太在意过多的状态可能会带来的效率问题）。

进度

• 搭建网络架构

  网络分为：evaluate_Network 和 target_Network
  
  #### evaluate_Network:
  两层结构，隐藏层单元数 10
  最后得到 q_eval，即为Q估计值（时刻根据当前环境进行更新的）
  #### target_Network:
  两层结构，隐藏层单元数 10 
  最后得到 q_next，即为下一步的Q值
  

• 网络输入：

  1.每隔 0.5秒 取一帧作为输入
  2.取连续 5 帧，取mean值作为输入(已测试过，效果比上一种稍强)
  3.取连续 10 帧，输入到LSTM网络中提取时序信息，输出最后step作为eval_network或target_network的输入，后续步骤不变
    (不知如何设置loss函数来训练LSTM)
  

• 改进

  1.雷达读取的值有问题（尚未更改）
  2.用LSTM来训练Q值或速度（尚未更改）
  3.加入几层卷积(已加入一层卷积 + 两层全连接)
  

VERSION_4：

做法

使用Actor-Critic:Value + Policy方法。
Actor:conv1 + conv2 + fc1 + policy(fc)
Critic: conv1 + conv2 + fc1 + value(fc)
loss = actor_loss(包含entropy_loss) + critic_loss
多个worker并行工作（我的ubuntu虚拟机只能开2个cpu） 参考： https://www.youtube.com/watch?v=0g4j2k_Ggc4 (David Silver RL courses in UCL) https://zhuanlan.zhihu.com/reinforce (知乎上关于上门这门课的讲解)

进度

主体代码已基本完成，打开 vrep 环境文件后，直接运行 A3C.py 即可。还可以再改进具体代码细节。