Спроектируйте нелинейный контроллер MPC

Спроектируйте нелинейный контроллер MPC для летающего робота. Движущие силы для летающего робота совпадают с в Оптимизации Траектории и Управлении Летающего Робота Используя Нелинейный MPC (Model Predictive Control Toolbox) примером. Во-первых, задайте предел для контрольных переменных, которые являются уровнями тяги робота.

umax = 3;

Создайте нелинейный контроллер MPC объект nlobj. Чтобы сократить командное окно выход, отключите сообщения обновления MPC.

mpcverbosity off;
nlobj = createMPCobjImFlyingRobot(umax);

Подготовьте входные данные

Загрузите входные данные от DAggerInputDataFileImFlyingRobot.mat. Столбцы набора данных содержат:

Данные в DAggerInputDataFileImFlyingRobot.mat создается путем вычисления действия управления NLMPC для случайным образом сгенерированных состояний ($\mathit{x}$, $\mathit{y}$, $\theta$, $\dot{\mathit{x}}$, $\dot{\mathit{y}}$, $$\underset{}{\overset{\dot{}}{\theta }}$$), и предыдущие действия управления (${\mathit{u}}_{\mathit{l}}$, ${\mathit{u}}_{\mathit{r}}$). Чтобы сгенерировать ваши собственные обучающие данные, используйте collectDataImFlyingRobot функция.

Загрузите входные данные.

fileName = 'DAggerInputDataFileImFlyingRobot.mat';
DAggerData = load(fileName);
data = DAggerData.data;
existingData = data;
numCol = size(data,2);

Создайте глубокую нейронную сеть

Архитектура глубоких нейронных сетей использует следующие типы слоев.

Создайте глубокую нейронную сеть, которая будет подражать контроллеру NLMPC после обучения.

numObservations = numCol-2;
numActions = 2;
hiddenLayerSize = 256;

imitateMPCNetwork = [
    featureInputLayer(numObservations,'Normalization','none','Name','observation')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize,'Name','fc1')
    reluLayer('Name','relu1')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize,'Name','fc2')
    reluLayer('Name','relu2')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize,'Name','fc3')
    reluLayer('Name','relu3')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize,'Name','fc4')
    reluLayer('Name','relu4')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize,'Name','fc5')
    reluLayer('Name','relu5')
    fullyConnectedLayer(hiddenLayerSize,'Name','fc6')
    reluLayer('Name','relu6')    
    fullyConnectedLayer(numActions,'Name','fcLast')
    tanhLayer('Name','tanhLast')
    scalingLayer('Name','ActorScaling','Scale',umax)
    regressionLayer('Name','routput')];

Постройте сеть.

plot(layerGraph(imitateMPCNetwork))

Подход клонирования поведения

Один подход к изучению опытной политики с помощью контролируемого изучения является методом клонирования поведения. Этот метод делит опытные демонстрации (действия управления NLMPC в ответ на наблюдения) в пары состояния активности и применяет контролируемое обучение обучить сеть.

Задайте опции обучения.

% intialize validation cell array
validationCellArray = {0,0};

options = trainingOptions('adam', ...
    'Verbose', false, ...
    'Plots', 'training-progress', ...
    'Shuffle', 'every-epoch', ...
    'MiniBatchSize', 512, ...
    'ValidationData', validationCellArray, ...
    'InitialLearnRate', 1e-3, ...
    'ExecutionEnvironment', 'cpu', ...
    'GradientThreshold', 10, ...
    'MaxEpochs', 40 ...
    );

Можно обучить поведение, клонирующее нейронную сеть следующим ниже шагов

Обучение DNN является в вычислительном отношении интенсивным процессом. Чтобы сэкономить время, загрузите предварительно обученный объект нейронной сети.

load('behaviorCloningMPCImDNNObject.mat');
imitateMPCNetBehaviorCloningObj = behaviorCloningNNObj.imitateMPCNetObj;

Обучение DNN использование клонирования поведения уменьшает разрыв между DNN и эффективностью NLMPC. Однако поведению, клонирующему нейронную сеть, не удается подражать поведению контроллера NLMPC правильно на некоторых случайным образом сгенерированных данных.

Подход агрегации данных

Чтобы улучшать производительность DNN, можно изучить политику с помощью интерактивного метода демонстранта. Крестик является итерационным методом, куда DNN запущен в среде с обратной связью. Эксперт, в этом случае диспетчер NLMPC, выходные действия на основе состояний посещает DNN. Этим способом больше обучающих данных агрегировано, и DNN переобучен для улучшенной производительности. Для получения дополнительной информации см. [1].

Обучите глубокую нейронную сеть с помощью DAggerTrainNetwork функция. Это создает DAggerImFlyingRobotDNNObj.mat файл, который содержит следующую информацию.

Во-первых, создайте и инициализируйте параметры для обучения. Используйте сеть, обученную с помощью клонирования поведения (imitateMPCNetBehaviorCloningObj) как начальная точка для обучения Крестика.

[dataStruct,nlmpcStruct,tuningParamsStruct,neuralNetStruct] = loadDAggerParameters(existingData, ...
    numCol,nlobj,umax,options,imitateMPCNetBehaviorCloningObj);

Чтобы сэкономить время, загрузите предварительно обученную нейронную сеть установкой doTraining к false. Чтобы обучить Крестик самостоятельно, установите doTraining к true.

doTraining = false;

if doTraining
    DAgger = DAggerTrainNetwork(nlmpcStruct,dataStruct,neuralNetStruct,tuningParamsStruct);
else
    load('DAggerImFlyingRobotDNNObj.mat');
end
DNN = DAgger.finalPolicy;

Как альтернатива, можно обучить нейронную сеть с модифицированным правилом обновления политики с помощью DAggerModifiedTrainNetwork функция. В этой функции, после каждых 20 учебных итераций, DNN установлен в самую оптимальную настройку от предыдущих 20 итераций. Чтобы запустить этот пример с объектом нейронной сети с модифицированным подходом Крестика, используйте DAggerModifiedImFlyingRobotDNNObj.mat file.

Сравните обучил сеть крестика с контроллером NLMPC

Чтобы сравнить эффективность контроллера NLMPC и обученного DNN, запустите симуляции с обратной связью с летающей моделью робота.

Установите начальное условие для состояний летающего робота ($\mathit{x}$, $\mathit{y}$, $\theta$, $\dot{\mathit{x}}$, $\dot{\mathit{y}}$, $$\underset{}{\overset{\dot{}}{\theta }}$$) и контрольные переменные летающего робота (${\mathit{u}}_{\mathit{l}}$, ${\mathit{u}}_{\mathit{r}}$).

x0 = [-1.8200    0.5300   -2.3500    1.1700   -1.0400    0.3100]';
u0 = [-2.1800   -2.6200]';

Запустите симуляцию с обратной связью контроллера NLMPC.

% Duration
Tf = 15;
% Sample time
Ts = nlobj.Ts;
% Simulation steps
Tsteps = Tf/Ts+1;
% Run NLMPC in closed loop.
tic
[xHistoryMPC,uHistoryMPC] = simModelMPCImFlyingRobot(x0,u0,nlobj,Tf);
toc

Elapsed time is 46.217801 seconds.

Запустите симуляцию с обратной связью обученной сети DAgger.

tic
[xHistoryDNN,uHistoryDNN] = simModelDAggerImFlyingRobot(x0,u0,DNN,Ts,Tf);
toc

Elapsed time is 0.889781 seconds.

Постройте результаты и сравните NLMPC и обученные траектории DNN.

plotSimResultsImFlyingRobot(nlobj,xHistoryMPC,uHistoryMPC,xHistoryDNN,uHistoryDNN,umax,Tf)

Нейронная сеть Крестика успешно подражает поведению контроллера NLMPC. Летающие состояния робота и траектории действия управления для контроллера и глубокой нейронной сети Крестика практически ориентированы. Время симуляции с обратной связью для DNN значительно меньше времени симуляции контроллера NLMPC.

Анимируйте летающего робота с обученной сетью крестика

Чтобы подтвердить эффективность обученного DNN, анимируйте летающего робота с данными из симуляции с обратной связью DNN. Летающий робот приземляется в начале координат успешно.

Lx = 5;
Ly = 5;
for ct = 1:Tsteps
    x = xHistoryDNN(ct,1);
    y = xHistoryDNN(ct,2);
    theta = xHistoryDNN(ct,3);
    tL = uHistoryDNN(ct,1);
    tR = uHistoryDNN(ct,2);
    rl.env.viz.plotFlyingRobot(x,y,theta,tL,tR,Lx,Ly);
    pause(0.05);
end

% Turn on MPC messages
mpcverbosity on;

Ссылки

[1] Osa, Такаюки, Джони Пэджэринен, Герхард Нейман, Дж. Эндрю Бэгнелл, Питер Аббеель и Ян Питерс. ‘Алгоритмический Взгляд на Изучение Имитации’. Основы и Тренды в Робототехнике 7, № 1-2 (2018): 1–179. https://doi.org/10.1561/2300000053.