Обучите агента DDPG к Swing и маятнику баланса с наблюдением изображений

В этом примере показано, как обучить агента глубоко детерминированного градиента политики (DDPG) качаться и балансировать маятник с наблюдения изображений, смоделированного в MATLAB®.

Для получения дополнительной информации об агентах DDPG смотрите Глубоко Детерминированных Агентов Градиента политики.

Математический маятник с изображением среда MATLAB

Среда обучения с подкреплением для этого примера является простым лишенным трения маятником, который первоначально зависает в нисходящем положении. Учебная цель состоит в том, чтобы заставить маятник стоять вертикально, не запинаясь за использование и падая минимального усилия по управлению.

Для этой среды:

Восходящим сбалансированным положением маятника является 0 радианами и нисходящим положением зависания является pi радианы
Сигнал действия крутящего момента от агента до среды от -2 к 2 Nm
Наблюдения средой являются изображением, указывающим на местоположение массы маятника и скорости вращения маятника.
Вознаграждение $r_{t}$ , если на каждом временном шаге:

$r_{t} = - ({θ_{t}}^{2} + 0.1 {\dot{θ_{t}}}^{2} + 0.001 {u_{t - 1}}^{2})$

где:

$θ_{t}$ угол смещения от вертикального положения
$\dot{θ_{t}}$ производная угла рассогласования
$u_{t - 1}$ усилие по управлению от предыдущего временного шага

Для получения дополнительной информации об этой модели смотрите Загрузку Предопределенные Среды Системы управления.

Создайте интерфейс среды

Создайте предопределенный интерфейс среды для маятника.

env = rlPredefinedEnv('SimplePendulumWithImage-Continuous')

env = 
  SimplePendlumWithImageContinuousAction with properties:

             Mass: 1
        RodLength: 1
       RodInertia: 0
          Gravity: 9.8100
     DampingRatio: 0
    MaximumTorque: 2
               Ts: 0.0500
            State: [2x1 double]
                Q: [2x2 double]
                R: 1.0000e-03

Интерфейс имеет непрерывный пробел действия, где агент может применить крутящий момент между -2 к 2 Nm.

Получите наблюдение и спецификацию действия от интерфейса среды.

obsInfo = getObservationInfo(env);
actInfo = getActionInfo(env);

Для повторяемости результатов зафиксируйте начальное значение генератора случайных чисел.

rng(0)

Создайте агента DDPG

Агент DDPG аппроксимирует долгосрочное вознаграждение, данное наблюдения и действия с помощью представления функции значения критика. Чтобы создать критика, сначала создайте глубокую сверточную нейронную сеть (CNN) с тремя входными параметрами (изображение, скорость вращения и действие) и один выход. Для получения дополнительной информации о создании представлений смотрите, Создают политику и Представления Функции Значения.

hiddenLayerSize1 = 400;
hiddenLayerSize2 = 300;

imgPath = [
    imageInputLayer(obsInfo(1).Dimension,'Normalization','none','Name',obsInfo(1).Name)
    convolution2dLayer(10,2,'Name','conv1','Stride',5,'Padding',0)
    reluLayer('Name','relu1')
    fullyConnectedLayer(2,'Name','fc1')
    concatenationLayer(3,2,'Name','cat1')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize1,'Name','fc2')
    reluLayer('Name','relu2')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize2,'Name','fc3')
    additionLayer(2,'Name','add')
    reluLayer('Name','relu3')
    fullyConnectedLayer(1,'Name','fc4')
    ];
dthetaPath = [
    imageInputLayer(obsInfo(2).Dimension,'Normalization','none','Name',obsInfo(2).Name)
    fullyConnectedLayer(1,'Name','fc5','BiasLearnRateFactor',0,'Bias',0)
    ];
actPath =[
    imageInputLayer(actInfo(1).Dimension,'Normalization','none','Name','action')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize2,'Name','fc6','BiasLearnRateFactor',0,'Bias',zeros(hiddenLayerSize2,1))
    ];

criticNetwork = layerGraph(imgPath);
criticNetwork = addLayers(criticNetwork,dthetaPath);
criticNetwork = addLayers(criticNetwork,actPath);
criticNetwork = connectLayers(criticNetwork,'fc5','cat1/in2');
criticNetwork = connectLayers(criticNetwork,'fc6','add/in2');

Просмотрите конфигурацию сети критика.

figure
plot(criticNetwork)

Задайте опции для представления критика с помощью rlRepresentationOptions.

criticOptions = rlRepresentationOptions('LearnRate',1e-03,'GradientThreshold',1);

Не прокомментируйте следующую линию, чтобы использовать графический процессор, чтобы ускорить обучение CNN.

% criticOptions.UseDevice = 'gpu';

Создайте представление критика с помощью заданной нейронной сети и опций. Необходимо также задать информацию о действии и наблюдении для критика, которого вы получаете из интерфейса среды. Для получения дополнительной информации смотрите rlRepresentation.

critic = rlRepresentation(criticNetwork,obsInfo,actInfo,...
    'Observation',{'pendImage','angularRate'},'Action',{'action'},criticOptions);

Агент DDPG решает который действие взять данный наблюдения с помощью представления агента. Чтобы создать агента, сначала создайте глубокую сверточную нейронную сеть (CNN) с двумя входными параметрами (изображение и скорость вращения) и один выход (действие).

Создайте агента подобным образом критику.

imgPath = [
    imageInputLayer(obsInfo(1).Dimension,'Normalization','none','Name',obsInfo(1).Name)
    convolution2dLayer(10,2,'Name','conv1','Stride',5,'Padding',0)
    reluLayer('Name','relu1')
    fullyConnectedLayer(2,'Name','fc1')
    concatenationLayer(3,2,'Name','cat1')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize1,'Name','fc2')
    reluLayer('Name','relu2')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize2,'Name','fc3')
    reluLayer('Name','relu3')
    fullyConnectedLayer(1,'Name','fc4')
    tanhLayer('Name','tanh1')
    scalingLayer('Name','scale1','Scale',max(actInfo.UpperLimit))
    ];
dthetaPath = [
    imageInputLayer(obsInfo(2).Dimension,'Normalization','none','Name',obsInfo(2).Name)
    fullyConnectedLayer(1,'Name','fc5','BiasLearnRateFactor',0,'Bias',0)
    ];

actorNetwork = layerGraph(imgPath);
actorNetwork = addLayers(actorNetwork,dthetaPath);
actorNetwork = connectLayers(actorNetwork,'fc5','cat1/in2');

actorOptions = rlRepresentationOptions('LearnRate',1e-04,'GradientThreshold',1);

Не прокомментируйте следующую линию, чтобы использовать графический процессор, чтобы ускорить обучение CNN.

% criticOptions.UseDevice = 'gpu';

Создайте представление агента с помощью заданной нейронной сети и опций.

actor = rlRepresentation(actorNetwork,obsInfo,actInfo,'Observation',{'pendImage','angularRate'},'Action',{'scale1'},actorOptions);

Просмотрите конфигурацию сети агента.

figure
plot(actorNetwork)

Чтобы создать агента DDPG, сначала задайте опции агента DDPG с помощью rlDDPGAgentOptions.

agentOptions = rlDDPGAgentOptions(...
    'SampleTime',env.Ts,...
    'TargetSmoothFactor',1e-3,...
    'ExperienceBufferLength',1e6,...
    'DiscountFactor',0.99,...
    'MiniBatchSize',128);
agentOptions.NoiseOptions.Variance = 0.6;
agentOptions.NoiseOptions.VarianceDecayRate = 1e-6;

Затем создайте агента с помощью заданного представления агента, представления критика и опций агента. Для получения дополнительной информации смотрите rlDDPGAgent.

agent = rlDDPGAgent(actor,critic,agentOptions);

Обучите агента

Чтобы обучить агента, сначала задайте опции обучения. В данном примере используйте следующие опции:

Запустите каждое обучение в большей части 5000 эпизоды, с каждым эпизодом, длящимся самое большее 500 временные шаги.
Отобразите прогресс обучения в командной строке (установите Verbose опция) и в диалоговом окне Episode Manager (устанавливает Plots опция).
Остановите обучение, когда агент получит среднее совокупное вознаграждение, больше, чем -1000 более чем пять последовательных эпизодов. На данном этапе агент может быстро сбалансировать маятник в вертикальном положении с помощью минимального усилия по управлению.

Для получения дополнительной информации смотрите rlTrainingOptions.

maxepisodes = 5000;
maxsteps = 400;
trainingOptions = rlTrainingOptions(...
    'MaxEpisodes',maxepisodes,...
    'MaxStepsPerEpisode',maxsteps,...
    'Plots','training-progress',...
    'StopTrainingCriteria','AverageReward',...
    'StopTrainingValue',-740);

Система маятника может визуализироваться с plot во время обучения или симуляции.

plot(env)

Обучите агента с помощью train функция. Это - в вычислительном отношении интенсивный процесс, который занимает несколько часов, чтобы завершиться. Чтобы сэкономить время при выполнении этого примера, загрузите предварительно обученного агента установкой doTraining к false. Чтобы обучить агента самостоятельно, установите doTraining к true.

doTraining = false;
if doTraining    
    % Train the agent.
    trainingStats = train(agent,env,trainingOptions);
else
    % Load pretrained agent for the example.
    load('SimplePendulumWithImageDDPG.mat','agent')       
end

Симулируйте агента DDPG

Чтобы подтвердить производительность обученного агента, симулируйте его в среде маятника. Для получения дополнительной информации о симуляции агента смотрите rlSimulationOptions и sim.

simOptions = rlSimulationOptions('MaxSteps',500);
experience = sim(env,agent,simOptions);

Смотрите также

train

Документация