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Python驱动机器人学习:Q-learning、Actor-Critic与进化算法实战对比

在机器人学中,使用Python进行强化学习(Reinforcement Learning, RL)是训练智能体自主决策的关键方法。本文介绍了三种主流RL算法在机器人控制中的应用:Q-Learning、Actor-Critic和进化算法,并通过具体代码演示如何在MuJoCo物理引擎构建的3D环境中实现。 首先,环境搭建基于Gymnasium库,加载MuJoCo的默认“Ant-v4”环境。该环境模拟一个四足机器人,目标是通过控制8个关节的力矩与推力,使其向前移动。通过随机动作运行一个完整回合,可以直观观察机器人行为,但显然无法高效学习。 为了提升训练效果,我们自定义了一个“跳跃型Ant”环境:修改XML文件降低身体密度并增强腿部驱动力,同时重构奖励函数,使机器人在躯干高度超过0.6米时获得奖励,从而鼓励跳跃行为。通过继承原环境类并重写step和CUSTOM_REWARD方法,我们创建了CustomAntEnv-v1,并注册为可调用环境。 接下来,针对不同算法特点选择合适策略: Q-Learning(DQN):适用于离散动作空间。由于原环境动作连续,需封装为离散动作类DiscreteEnvWrapper,将5种动作(如前进、后退、前后腿交替)映射为连续控制信号。使用Stable-Baselines3中的DQN模型训练,尽管学习效果有限,但机器人最终学会跳跃,动作仍显僵硬,因离散化损失了连续控制的平滑性。 Actor-Critic(SAC):更适合连续动作空间。SAC结合策略网络(Actor)与价值网络(Critic),通过最大化预期奖励来优化行为。使用SAC在CustomAntEnv-v1上训练,虽耗时更长(约3小时),但结果显著:机器人能流畅跳跃、稳定前进,动作自然,体现其在复杂控制任务中的优势。 进化算法(PGPE):一种实验性方法,不依赖梯度更新。PGPE通过在权重空间构建高斯分布,批量采样不同策略,根据奖励反馈动态调整均值与方差,实现并行探索。使用EvoTorch库,直接在自定义环境上运行,无需反向传播。该方法在稀疏奖励或难以设计奖励函数的场景中表现突出,但训练过程较慢,适合探索性研究。 总结:Q-Learning适合简单、离散任务;Actor-Critic(如SAC)是当前机器人控制的主流选择,性能稳定高效;进化算法则为特殊问题提供强大备选方案。通过合理设计环境与选择算法,Python可成为构建智能机器人的有力工具。完整代码已开源至GitHub,供实践参考。

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