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基于强化学习的机器人自主导航与避障

article 2025/1/31 22:53:01

前言

自主导航与避障是机器人领域的核心研究方向之一，传统的避障算法多依赖于先验模型和规则设计。然而，面对复杂且动态的环境，这些算法常表现出一定的局限性。强化学习（Reinforcement Learning, RL）通过与环境交互，能够学习到最优策略，无需显式建模，是解决导航与避障问题的一种有效方法。

本文以强化学习为基础，详细讲解机器人如何通过强化学习实现自主导航与避障。我们结合经典的深度 Q 网络（Deep Q-Network, DQN）算法，设计并实现一个机器人自主避障系统，涵盖从理论到部署的完整流程。

原理介绍

1. 基本概念

强化学习是一种通过试错学习行为策略的框架，核心元素包括：

状态（State, s）：机器人当前的环境表示，例如激光雷达数据、目标位置等。
动作（Action, a）：机器人可执行的动作集合，例如前进、转弯等。
奖励（Reward, r）：执行动作后的反馈信号，衡量动作的优劣。
策略（Policy, π）：从状态到动作的映射，表示机器人的决策机制。

2. 强化学习整体流程

初始化： 定义状态、动作和奖励函数。
交互： 机器人与环境交互，采集状态和奖励数据。
更新策略： 根据采集的数据优化策略，使累计奖励最大化。
迭代： 重复交互和优化，直至学习收敛。

3. DQN 算法的关键特点

DQN 将 Q 学习与深度学习结合，其核心思想为：

使用神经网络拟合状态-动作值函数 Q(s,a)。
通过经验回放（Experience Replay）避免时间相关性，提升稳定性。
引入目标网络（Target Network），缓解学习的不稳定性。

4. 算法流程

DQN 的核心公式为 Bellman 方程：

其中：

Q：主网络预测的值。
Q′：目标网络的值。
r：当前奖励。
γ：折扣因子，控制未来奖励的重要性。

DQN 的主要步骤：

初始化主网络和目标网络。
从环境中采样状态 s，选择动作 a。
执行动作，接收奖励 r 和新状态 s′。
存储样本

到经验池。
从经验池采样小批量样本，计算 TD 误差，更新主网络。
定期将主网络参数复制到目标网络。

部署环境介绍

硬件需求

硬件：TurtleBot3（支持 ROS 的小型机器人平台）。
激光雷达：用于环境感知。
GPU：NVIDIA GPU，用于训练强化学习模型。

软件需求

操作系统：Ubuntu 20.04。
ROS 版本：ROS Noetic。
强化学习框架：TensorFlow 或 PyTorch。
仿真环境：Gazebo 11。

部署流程

1. 安装必要的软件

# 安装 ROS Noetic
sudo apt update
sudo apt install ros-noetic-desktop-full

# 安装依赖库
sudo apt install python3-pip
pip3 install tensorflow keras gym
pip3 install rospkg catkin_pkg

# 安装 Gazebo 仿真
sudo apt install ros-noetic-gazebo-ros

2. 创建工作空间

mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws
catkin_make

3. 下载 TurtleBot3 仿真包

cd ~/catkin_ws/src
git clone GitHub - ROBOTIS-GIT/turtlebot3_simulations: Simulations for TurtleBot3
cd ~/catkin_ws
catkin_make

4. 配置环境变量

echo "export TURTLEBOT3_MODEL=burger" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

5. 启动 Gazebo 仿真环境

roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch

6. 启动强化学习节点

将强化学习代码放入 ROS 节点，并运行。

代码示例

1. 环境定义

import gym
from gym import spaces
import numpy as np

class TurtleBot3Env(gym.Env):
   def __init__(self):
       super(TurtleBot3Env, self).__init__()
       self.action_space = spaces.Discrete(5)  # 前进、左转、右转、停止等
       self.observation_space = spaces.Box(low=0, high=10, shape=(360,), dtype=np.float32)
       self.state = np.zeros(360)
       self.done = False

   def step(self, action):
       # 执行动作，获取激光雷达数据和奖励
       self.state = self.get_laser_scan()
       reward = self.calculate_reward()
       self.done = self.check_done()
       return self.state, reward, self.done, {}

   def reset(self):
       # 重置环境
       self.state = np.zeros(360)
       self.done = False
       return self.state

   def get_laser_scan(self):
       # 获取激光雷达数据的模拟函数
       return np.random.rand(360)

   def calculate_reward(self):
       # 定义奖励函数
       if min(self.state) < 0.2:  # 碰撞
           return -10
       else:
           return 1

2. 强化学习模型

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import models, layers

def build_model(input_dim, output_dim):
   model = models.Sequential([
       layers.Dense(256, activation='relu', input_dim=input_dim),
       layers.Dense(256, activation='relu'),
       layers.Dense(output_dim, activation='linear')
  ])
   model.compile(optimizer='adam', loss='mse')
   return model