基于改進(jìn)SAC算法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃

李永迪，李彩虹，張耀玉，張國(guó)勝

（山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

在移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航中，路徑規(guī)劃是一個(gè)重要的組成部分，可以描述為在一定的約束條件下，尋找一條從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。常見的路徑規(guī)劃方法有人工勢(shì)場(chǎng)法［1］、A*算法［2-3］、蟻群算法［4-5］、遺傳算法［6］、粒子群優(yōu)化算法［7］等。這些算法大都需要建立地圖模型，工作在已知環(huán)境下；另外在復(fù)雜環(huán)境中存在運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)、迭代次數(shù)多以及在未知環(huán)境下實(shí)時(shí)性差或者容易陷入局部最優(yōu)等問題。

近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)（Deep Learning，DL）［8］和強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning，RL）［9］成為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域重要的研究熱點(diǎn)，將深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Deep Reinforcement Learning，DRL）［10］算法在移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中得到了廣泛使用。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)具有深度學(xué)習(xí)的感知優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的決策優(yōu)勢(shì)，其中，深度學(xué)習(xí)負(fù)責(zé)通過傳感器獲取周圍環(huán)境信息來(lái)感知機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)信息，而強(qiáng)化學(xué)習(xí)負(fù)責(zé)對(duì)獲取的環(huán)境信息進(jìn)行探索、做出決策，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的智能化需求。

SAC（Soft Actor-Critic）算法是Haarnoja 等［11］提出的一種穩(wěn)定高效的DRL 算法，適用于現(xiàn)實(shí)世界的機(jī)器人技能學(xué)習(xí)并能與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)要求高度契合，能夠滿足實(shí)時(shí)性的需求；Haarnoja 等［12］在SAC 算法中加入了熵權(quán)重的自動(dòng)調(diào)整，在訓(xùn)練前期熵的權(quán)重較大，在后期逐漸衰減熵的權(quán)重，讓智能體收斂更加穩(wěn)定；De Jesus 等［13］將SAC 算法應(yīng)用到ROS（Robot Operating System）環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人在不同環(huán)境下的局部路徑規(guī)劃，但算法存在訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)和環(huán)境獎(jiǎng)勵(lì)稀疏的問題；肖碩等［14］引入智能體通信機(jī)制，有效降低了環(huán)境不穩(wěn)定性對(duì)算法造成的影響，但樣本利用率低、收斂慢；單麒源等［15］優(yōu)化了算法的狀態(tài)輸入，改善了訓(xùn)練次數(shù)越多獎(jiǎng)勵(lì)值越低的問題，但應(yīng)用場(chǎng)景簡(jiǎn)單，面對(duì)復(fù)雜環(huán)境算法效率無(wú)法保證；胡仕柯等［16］通過在原有算法中引入內(nèi)在好奇心機(jī)制，提高智能體探索能力與樣本利用效率，同樣存在應(yīng)用場(chǎng)景簡(jiǎn)單且收斂速度較慢。

針對(duì)上述算法的不足，本文對(duì)SAC 算法進(jìn)行了改進(jìn)，首先，提出的PER-SAC 算法使用三層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過雷達(dá)傳感器獲取環(huán)境信息和目標(biāo)點(diǎn)信息，并且令環(huán)境中障礙物的距離信息、機(jī)器人的角速度和線速度、機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離和角度，作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，輸出為機(jī)器人的角速度和線速度；進(jìn)而結(jié)合優(yōu)先級(jí)經(jīng)驗(yàn)回放（Prioritized Experience Replay，PER），對(duì)經(jīng)驗(yàn)池中不同樣本的重要程度進(jìn)行區(qū)分，使重要程度較高的樣本更頻繁地回放，進(jìn)一步提高了原始算法中樣本的利用率，從而進(jìn)行更有效的學(xué)習(xí)，提高算法的收斂速度；然后設(shè)計(jì)改進(jìn)的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，克服環(huán)境獎(jiǎng)勵(lì)稀疏的缺點(diǎn)；此外，設(shè)計(jì)了不同的仿真環(huán)境（無(wú)障礙物、離散障礙物和特殊障礙物），提高算法的泛化性；考慮到在不同障礙物環(huán)境下實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，引入遷移學(xué)習(xí)，將收斂后的無(wú)障礙物模型作為離散型障礙物與特殊障礙物環(huán)境的初始化模型，加快算法收斂。

1 SAC算法

SAC 算法使用了AC（Actor-Critic）體系結(jié)構(gòu)［17］。傳統(tǒng)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的目標(biāo)是使獎(jiǎng)勵(lì)的期望最大，而SAC 使獎(jiǎng)勵(lì)期望和熵值同時(shí)最大化：

其中：E是當(dāng)前狀態(tài)的回報(bào)期望，r是當(dāng)前狀態(tài)的回報(bào)值，ρπ為t=0 到T所有的狀態(tài)和動(dòng)作的集合，H是當(dāng)前動(dòng)作的熵，τ是溫度系數(shù)，π是通過網(wǎng)絡(luò)得到的當(dāng)前狀態(tài)的所有動(dòng)作概率。

SAC 算法為了減小值函數(shù)的估計(jì)誤差，在Actor-Critic 體系的基礎(chǔ)上增加了價(jià)值網(wǎng)絡(luò)，由1 個(gè)Actor 網(wǎng)絡(luò)（策略網(wǎng)絡(luò)）和4 個(gè)Critic 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，分別是狀態(tài)價(jià)值估計(jì)V和TargetV網(wǎng)絡(luò)，由VCritic 表示；動(dòng)作-狀態(tài)價(jià)值估計(jì)Q0和Q1網(wǎng)絡(luò)，由QCritic 表示。SAC 算法網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 SAC算法網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架Fig.1 Network framework of SAC algorithm

已知一個(gè)狀態(tài)st，通過Actor 網(wǎng)絡(luò)得到所有動(dòng)作概率π(a|st)，依概率采樣得到動(dòng)作at∈a，將at輸入到環(huán)境中得到st+1和rt+1，獲得1 個(gè)experience：（st，at，st+1，rt+1），放入到經(jīng)驗(yàn)池中。

在QCritic 網(wǎng)絡(luò)中，從經(jīng)驗(yàn)池中采樣出數(shù)據(jù)（st，at，st+1，rt+1），進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)ω的更新，將動(dòng)作at的q（st，at）值作為st的預(yù)測(cè)價(jià)值估計(jì)，根據(jù)最優(yōu)Bellman 方程得到作為st狀態(tài)的真實(shí)價(jià)值估計(jì)：

其中Eπ為當(dāng)前狀態(tài)的累計(jì)回報(bào)期望。

用均方損失函數(shù)作為損失，對(duì)QCritic 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，損失函數(shù)定義為：

其中B為從經(jīng)驗(yàn)池中取1 個(gè)batch 的數(shù)據(jù)。

在VCritic 網(wǎng)絡(luò)中，從經(jīng)驗(yàn)池采樣出數(shù)據(jù)（st，at，st+1，rt+1），進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)θ的更新，Vcritic 網(wǎng)絡(luò)輸出的真實(shí)值為：

其中：為Actor 網(wǎng)絡(luò)的策略π預(yù)測(cè)的下一步所有可能動(dòng)作；lnπ(，θ)為熵。

根據(jù)真實(shí)值計(jì)算Vcritic 網(wǎng)絡(luò)的損失：

在Actor 網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行梯度下降訓(xùn)練的損失函數(shù)定義為：

強(qiáng)化學(xué)習(xí)通過時(shí)序差分（Temporal-Difference，TD）誤差衡量算法修正幅度，采用計(jì)算TD 誤差的形式對(duì)策略選擇的動(dòng)作at進(jìn)行評(píng)估：

其中：Q為Critic 的狀態(tài)價(jià)值，γ為折扣因子。

2 改進(jìn)SAC算法

為提高訓(xùn)練速度和穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了PER-SAC 算法，將優(yōu)先級(jí)經(jīng)驗(yàn)回放引入SAC 算法中，使從經(jīng)驗(yàn)池中等概率隨機(jī)采樣變?yōu)榘凑諆?yōu)先級(jí)采樣，增大重要樣本被采樣的概率。利用重要性采樣權(quán)重來(lái)修正優(yōu)先回放引入的誤差，并更新網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)，減少模型的錯(cuò)誤率。PER-SAC 算法包含了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、獎(jiǎng)懲函數(shù)、連續(xù)的狀態(tài)空間和動(dòng)作空間的設(shè)計(jì)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

PER-SAC 算法所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有14 個(gè)輸入和2 個(gè)輸出，如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出Fig.2 Network input and output

網(wǎng)絡(luò)的輸入包括：雷達(dá)10 個(gè)方向上的讀數(shù)xt，機(jī)器人的線速度vt-1和角速度wt-1，機(jī)器人的相對(duì)位置與目標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)量距離dt和角度θt；網(wǎng)絡(luò)的輸出為機(jī)器人的線速度vt和角速度wt。

SAC 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括策略網(wǎng)絡(luò)（Actor）、Q網(wǎng)絡(luò)（QCritic）和價(jià)值網(wǎng)絡(luò)（VCritic）三個(gè)部分，如圖3 所示。

圖3 SAC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 SAC network structure

策略網(wǎng)絡(luò)的輸入是機(jī)器人在環(huán)境中的當(dāng)前狀態(tài)；隱藏層是3 個(gè)具有512 個(gè)節(jié)點(diǎn)的全連接層；輸出層生成發(fā)送給機(jī)器人要執(zhí)行的動(dòng)作。

Q網(wǎng)絡(luò)、價(jià)值網(wǎng)絡(luò)和策略網(wǎng)絡(luò)的隱藏層相同。Q網(wǎng)絡(luò)給出機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)和動(dòng)作的Q值，而價(jià)值網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)當(dāng)前狀態(tài)值。

2.2 結(jié)合優(yōu)先級(jí)經(jīng)驗(yàn)回放

優(yōu)先級(jí)經(jīng)驗(yàn)回放賦予每個(gè)樣本一個(gè)優(yōu)先級(jí)。從經(jīng)驗(yàn)池采樣時(shí)，使優(yōu)先級(jí)越高的樣本被采樣的概率越大，提高訓(xùn)練速度，并引入SumTree 來(lái)存儲(chǔ)樣本的優(yōu)先級(jí)。

樣本的優(yōu)先級(jí)用TD 誤差定義。TD 誤差越大，優(yōu)先級(jí)越高。TD 誤差δt的計(jì)算如式（7）所示，樣本抽取的概率定義為：

其中：a用于對(duì)優(yōu)先程度的調(diào)節(jié)；pi=|δi|+ε是第i個(gè)樣本的優(yōu)先度，δi是第i個(gè)樣本的TD 誤差，加入ε用于避免概率為0。

計(jì)算TD 誤差時(shí)要考慮SAC 算法中3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情況，由于Q網(wǎng)絡(luò)和價(jià)值網(wǎng)絡(luò)輸出的值遠(yuǎn)大于策略網(wǎng)絡(luò)的值，將3 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的誤差直接相加將導(dǎo)致策略網(wǎng)絡(luò)的誤差對(duì)總誤差影響較小，因此引入調(diào)整系數(shù)Tα和Tβ對(duì)Q網(wǎng)絡(luò)和價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的值進(jìn)行調(diào)整：

由于優(yōu)先級(jí)經(jīng)驗(yàn)回放改變了樣本采樣方式，因此使用重要性采樣權(quán)重來(lái)修正優(yōu)先回放引入的誤差，并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行梯度訓(xùn)練的損失函數(shù)，減小模型的錯(cuò)誤率。重要性采樣權(quán)重計(jì)算如下：

其中選取了樣本j的權(quán)重wj，并進(jìn)行歸一化處理，方法是除以所有樣本中權(quán)重最大的樣本i，用maxi（wi）表示；N為樣本容量；β是wj的調(diào)整系數(shù)。

最后使用重要性采樣權(quán)重對(duì)Q網(wǎng)絡(luò)和價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)進(jìn)行更新。對(duì)式（3）和（5）的更新如下：

2.3 連續(xù)的動(dòng)作空間和狀態(tài)空間設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)倪B續(xù)狀態(tài)空間和動(dòng)作空間作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出，通過傳感器返回周圍環(huán)境信息。

狀態(tài)空間是對(duì)智能體所處環(huán)境的反饋，是智能體選擇動(dòng)作空間的依據(jù)。機(jī)器人搭載的激光雷達(dá)，探測(cè)范圍為360°，探測(cè)距離為3.5 m?？紤]到機(jī)器人不后退、雷達(dá)數(shù)據(jù)多和計(jì)算量大的問題，只使用機(jī)器人前方180°的探測(cè)范圍和10 個(gè)方向上的雷達(dá)數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集方向設(shè)置結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)Fig.4 Lidar data acquisition structure

機(jī)器人的位姿信息由10 個(gè)方向雷達(dá)返回的最近障礙物的距離信息di以及機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離Dg和角度θg組成，所以移動(dòng)機(jī)器人狀態(tài)空間sj定義為：

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型使用的是Turtlebot3 的Burger 版本，運(yùn)動(dòng)參數(shù)包含線速度［vmax，vmin］、角速度［wmax，wmin］、最大加速度a。線速度的取值范圍為［0.0，2.0］，單位m/s；角速度的取值范圍為[-2.0，2.0]，單位rad/s。動(dòng)作空間定義為線速度v和角速度w。

2.4 獎(jiǎng)懲函數(shù)設(shè)計(jì)

獎(jiǎng)懲函數(shù)的設(shè)計(jì)決定在某一狀態(tài)下移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作的好壞程度。通過設(shè)計(jì)一種連續(xù)性獎(jiǎng)懲函數(shù)來(lái)解決獎(jiǎng)勵(lì)稀疏問題。獎(jiǎng)懲函數(shù)如下：

其中：rarrival表示到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的正向獎(jiǎng)勵(lì)；dt表示當(dāng)前時(shí)刻機(jī)器人到目標(biāo)點(diǎn)的距離；dt-1表示上一個(gè)時(shí)刻機(jī)器人到目標(biāo)點(diǎn)的距離；cd表示到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的閾值，小于此值代表到達(dá)了目標(biāo)點(diǎn)；rcollision表示碰到障礙物的負(fù)獎(jiǎng)勵(lì)；minx表示激光雷達(dá)的最小距離；co表示碰撞障礙物的安全距離，低于這個(gè)值表示觸碰障礙物；cr1和cr2是設(shè)置的兩個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)參數(shù)。

如果機(jī)器人通過閾值檢查到達(dá)目標(biāo)，則給予正獎(jiǎng)勵(lì)；如果通過最小距離讀數(shù)檢查與障礙物碰撞，則給予負(fù)獎(jiǎng)勵(lì)。兩種情況都足以結(jié)束訓(xùn)練。否則，獎(jiǎng)勵(lì)是基于從目標(biāo)到最后一個(gè)時(shí)間步的距離差(dt?1?dt)。如果差值是正的，獎(jiǎng)勵(lì)等于經(jīng)過的距離乘以參數(shù)cr1，否則乘以參數(shù)cr2。這種措施激勵(lì)移動(dòng)機(jī)器人更接近目標(biāo)位置，并鼓勵(lì)其避開環(huán)境中的障礙物。

2.5 遷移學(xué)習(xí)

局部路徑規(guī)劃中的大部分任務(wù)存在相關(guān)性，在不同地圖環(huán)境中利用參數(shù)遷移來(lái)初始化相關(guān)任務(wù)中的參數(shù)，可以加快移動(dòng)機(jī)器人在不同場(chǎng)景下策略的學(xué)習(xí)。

首先加載預(yù)訓(xùn)練模型，獲取全部的模型參數(shù)。通過隨機(jī)初始化訓(xùn)練獲得趨向目標(biāo)點(diǎn)的模型參數(shù)ωi，將ωi初始化為離散場(chǎng)景ωs和特殊障礙物場(chǎng)景的模型參數(shù)ωt，完善避障規(guī)則vs與vt，實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃。本文所設(shè)計(jì)的遷移學(xué)習(xí)框架如圖5 所示。

圖5 遷移學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)Fig.5 Transfer learning structure

3 算法仿真

基于Python 語(yǔ)言，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的PER-SAC 算法完成移動(dòng)機(jī)器人局部路徑規(guī)劃任務(wù)的有效性。在ROS 平臺(tái)上利用Gazebo 搭建4 種仿真環(huán)境（無(wú)障礙物、離散型障礙物、一型障礙物和U 型障礙物環(huán)境）來(lái)進(jìn)行PER-SAC 算法和原始SAC 算法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

為了更清晰地觀察仿真結(jié)果，將繪制兩種算法訓(xùn)練的每輪平均回報(bào)值對(duì)比圖。在Rviz 中，機(jī)器人初始位置為起點(diǎn)，方框代表目標(biāo)點(diǎn)，圓柱體代表障礙物，實(shí)線代表機(jī)器人的運(yùn)行軌跡。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒糠謪?shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameter setting

3.1 無(wú)障礙物下的仿真

Gazebo 中無(wú)障礙物仿真環(huán)境和移動(dòng)機(jī)器人如圖6 所示，在5 m×5 m 的范圍內(nèi)隨機(jī)生成目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練。

圖6 無(wú)障礙仿真環(huán)境Fig.6 Obstacle-free simulation environment

根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，移動(dòng)機(jī)器人初始階段在無(wú)障礙物環(huán)境中訓(xùn)練，達(dá)到預(yù)設(shè)訓(xùn)練次數(shù)后，抽取批量經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，在探索率上升到預(yù)設(shè)峰值后，探索率保持不變，繼續(xù)訓(xùn)練到預(yù)訓(xùn)練次數(shù)，輸出每輪的平均回報(bào)值（一輪中的回報(bào)值除以本輪步數(shù)），如圖7 所示。從圖7 中可以看出，PER-SAC 算法的平均回報(bào)值在30 輪左右開始上升，說明算法開始收斂，收斂速度明顯快于原始SAC 算法，而收斂后的PER-SAC 算法相較于原始算法更穩(wěn)定。

圖7 無(wú)障礙環(huán)境下每輪的平均獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)比Fig.7 Comparison of average reward per round of obstacle-free environment

用兩種算法收斂后模型進(jìn)行路徑規(guī)劃，起點(diǎn)為（1，0.6），終點(diǎn)為（1.2，1.2），并且在Rviz 中繪制路徑，規(guī)劃結(jié)果分別如圖8（a）和（b）所示。PER-SAC 算法從起點(diǎn)到終點(diǎn)所用步數(shù)為115，原始SAC 算法為118，兩種算法的路徑基本一致，PER-SAC 算法路徑略短。

圖8 無(wú)障礙環(huán)境下的路徑規(guī)劃Fig.8 Path planning in obstacle-free environment

3.2 離散障礙物下的仿真

Gazebo 中離散障礙物環(huán)境和移動(dòng)機(jī)器人如圖9（a）所示，在Rviz 中如圖9（b）所示。起點(diǎn)為機(jī)器人初始位置，坐標(biāo)為（-2，-2），目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為（2，1）。

圖9 離散障礙物仿真環(huán)境Fig.9 Discrete obstacle simulation environment

利用遷移學(xué)習(xí)將兩種算法在無(wú)障礙物環(huán)境下訓(xùn)練好的模型遷移到7 m×7 m 的離散障礙物環(huán)境中作為初始訓(xùn)練模型，各進(jìn)行200 輪，每輪500 步的訓(xùn)練后，輸出每輪平均回報(bào)值，如圖10 所示。

圖10 離散障礙環(huán)境下每輪的平均獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)比Fig.10 Comparison of average reward per round in discrete obstacle environment

PER-SAC 算法在30 輪后每一輪的平均回報(bào)值明顯比原始SAC 算法高，說明PER-SAC 算法每輪中機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的次數(shù)更多，并且在140 輪左右模型開始收斂。相較于原始SAC 算法，PER-SAC 算法收斂后每輪的平均回報(bào)值波動(dòng)范圍小，更加穩(wěn)定。

用兩種算法收斂后的模型進(jìn)行路徑規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果如圖11 所示。PER-SAC 算法從起點(diǎn)到終點(diǎn)所用步數(shù)為248，原始SAC 算法為257。相較于原始SAC 算法，PER-SAC 算法能夠規(guī)劃出趨向目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)更短路徑。

圖11 離散障礙環(huán)境下的路徑規(guī)劃Fig.11 Path planning in discrete obstacle environment

3.3 U型障礙物下的仿真

如離散障礙物下的訓(xùn)練過程，同樣利用遷移學(xué)習(xí)將兩種算法在無(wú)障礙物環(huán)境下訓(xùn)練好的模型遷移到5 m×5 m 的U型障礙物環(huán)境中作為初始化訓(xùn)練模型。Gazebo 中U 型障礙物環(huán)境和移動(dòng)機(jī)器人如圖12（a）所示，在Rviz 中如圖12（b）所示。起點(diǎn)為機(jī)器人初始位置，坐標(biāo)為（-1.2，0），目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為（1.2，0）。

圖12 U型障礙物仿真環(huán)境Fig.12 U-shaped obstacle simulation environment

兩種算法各進(jìn)行200 輪，每輪500 步的訓(xùn)練后，同樣輸出平均回報(bào)值，如圖13 所示。

圖13 U型障礙環(huán)境下每輪的平均獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)比Fig.13 Comparison of average reward per round in U-shaped obstacle environment

PER-SAC 算法在25 輪后每一輪的平均獎(jiǎng)勵(lì)明顯比原始SAC 算法高，說明每一輪機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的次數(shù)更多；PER-SAC 算法在140 輪左右收斂趨于穩(wěn)定，而原始SAC 算法在180 輪左右，模型的訓(xùn)練和收斂速度更快。

用兩種收斂后的模型進(jìn)行路徑規(guī)劃，并且在Rviz 中繪制路徑，分別如圖14（a）和（b）所示。PER-SAC 算法從起點(diǎn)到終點(diǎn)所用步數(shù)為274，原始SAC 算法為298。相較于原始SAC 算法，PER-SAC 算法能更快走出障礙物，規(guī)劃出趨向目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)較優(yōu)路徑。

圖14 U型障礙環(huán)境下的路徑規(guī)劃Fig.14 Path planning in U-shaped obstacle environment

3.4 一型障礙物下的仿真

Gazebo 中一型障礙物環(huán)境和移動(dòng)機(jī)器人如圖15（a）和（b）所示。起點(diǎn)為機(jī)器人初始位置，坐標(biāo)為（-1.2，0），目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為（1.2，0）。

圖15 一型障礙物仿真環(huán)境Fig.15 1-shaped obstacle simulation environment

U 型障礙物是特殊的一型障礙物，使用3.3 節(jié)中U 型障礙物環(huán)境下訓(xùn)練好的模型進(jìn)行路徑規(guī)劃，檢測(cè)已經(jīng)訓(xùn)練好的算法的泛化性。如圖16 所示，在U 型障礙物環(huán)境下訓(xùn)練好的算法同樣適用于一型障礙物環(huán)境，不需要重新訓(xùn)練即可很好地完成路徑規(guī)劃任務(wù)。PER-SAC 算法從起點(diǎn)到終點(diǎn)所用步數(shù)為183，原始SAC 算法為226。PER-SAC 算法表現(xiàn)較好，在U 型環(huán)境中二者的模型就表現(xiàn)出選擇動(dòng)作的差異，在一型障礙物中表現(xiàn)得更加明顯，機(jī)器人能更快繞出障礙區(qū)域。

圖16 一型障礙環(huán)境下的路徑規(guī)劃Fig.16 Path planning in one-shaped obstacle environment

3.5 混合障礙物算法模型驗(yàn)證

搭建兩個(gè)混合障礙物環(huán)境對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，混合障礙物是離散型、一型和U 型三種障礙物的組合。

混合障礙物環(huán)境一和移動(dòng)機(jī)器人如圖17（a）和（b）所示。起點(diǎn)為機(jī)器人初始位置，坐標(biāo)為（-2.2，-2.5），目標(biāo)點(diǎn)為（1.8，1.3）。

圖17 混合障礙環(huán)境一Fig.17 The first mixed obstacle environment

使用3.3 節(jié)中經(jīng)過遷移學(xué)習(xí)從無(wú)障礙物到離散障礙物、再到U 型障礙物環(huán)境下訓(xùn)練好的模型進(jìn)行路徑規(guī)劃，如圖18所示，同樣不需要重新訓(xùn)練即可很好地完成路徑規(guī)劃任務(wù)，并且PER-SAC 算法規(guī)劃的路徑較優(yōu)。PER-SAC 算法從起點(diǎn)到終點(diǎn)所用步數(shù)為271，原始SAC 算法為304。

圖18 混合障礙環(huán)境一下的路徑規(guī)劃Fig.18 Path planning in the first mixed obstacle environment

混合障礙物環(huán)境二中，調(diào)整了障礙物和目標(biāo)點(diǎn)的布局，使移動(dòng)機(jī)器人更容易經(jīng)過U 型障礙物，如圖19（a）和（b）所示。起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)分別為（-2.2，-2.5）和（1.25，2）。

圖19 混合障礙物環(huán)境二Fig.19 The second mixed obstacle environment

路徑規(guī)劃結(jié)果如圖20（a）和（b）所示。PER-SAC 算法從起點(diǎn)到終點(diǎn)所用步數(shù)為279，原始SAC 算法為310。PER-SAC 算法規(guī)劃的路徑較優(yōu)，能較好地規(guī)避障礙物。

圖20 混合障礙環(huán)境二下的路徑規(guī)劃Fig.20 Path planning in the second mixed obstacle environment

PER-SAC 算法經(jīng)過遷移學(xué)習(xí)后訓(xùn)練得到的模型，能夠在不同的環(huán)境中規(guī)劃一條從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑，算法具有一定的泛化能力，同時(shí)驗(yàn)證了算法的有效性。

最后將兩種算法在上述三種仿真環(huán)境下的訓(xùn)練時(shí)間進(jìn)行匯總，如表2 所示。從表2 中可以看出，在每種環(huán)境下，所設(shè)計(jì)的PER-SAC 算法訓(xùn)練或收斂時(shí)間更快。

表2 算法收斂時(shí)間Tab.2 Algorithm convergence time

再對(duì)5 個(gè)仿真環(huán)境中路徑規(guī)劃時(shí)從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的步數(shù)進(jìn)行匯總，如表3 所示。從表3 中可以看出，在每種障礙物運(yùn)行情況下，PER-SAC 算法均比原始SAC 算法所用步數(shù)少。

表3 到達(dá)目標(biāo)所用步數(shù)Tab.3 Number of steps reaching target

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于未知環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人局部路徑規(guī)劃問題，本文提出了一種基于SAC 和優(yōu)先級(jí)經(jīng)驗(yàn)回放的PER-SAC 算法，并且在不同的仿真環(huán)境中與原始算法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了新算法的有效性。PER-SAC 算法具有以下特點(diǎn)：

1）優(yōu)先級(jí)經(jīng)驗(yàn)回放機(jī)制使經(jīng)驗(yàn)池中的每個(gè)樣本擁有了優(yōu)先級(jí)，增加了重要程度較高的樣本被采樣的頻率，提高了訓(xùn)練效率和穩(wěn)定性。

2）在線運(yùn)行時(shí)間和訓(xùn)練時(shí)間沒有關(guān)聯(lián)，并且充分訓(xùn)練后得到的收斂模型，實(shí)際運(yùn)行時(shí)不需要再進(jìn)行訓(xùn)練。機(jī)器人通過傳感器實(shí)時(shí)感知當(dāng)前環(huán)境信息，經(jīng)訓(xùn)練模型可以求出一條合理的局部規(guī)劃路徑，滿足運(yùn)行的實(shí)時(shí)性需求。

3）利用參數(shù)遷移初始化不同障礙物環(huán)境下的模型參數(shù)，縮短訓(xùn)練進(jìn)程，加快模型收斂，模型的泛化性增加。

PER-SAC 算法目前還存在一些局限性，在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)時(shí)直接將重要性采樣權(quán)重與損失函數(shù)相乘，可能導(dǎo)致訓(xùn)練的信息不夠充分。下一步的研究方向?qū)⒖紤]優(yōu)化損失函數(shù)，進(jìn)一步提升算法的性能，使機(jī)器人在更加復(fù)雜的環(huán)境下（多U 型、高混合型）實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃任務(wù)。