【九】强化学习之TD3算法四轴飞行器仿真---PaddlePaddlle【PARL】框架

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【四】-强化学习入门简介

【五】-Sarsa&Qlearing详细讲解

【六】-DQN

【七】-Policy Gradient

【八】-DDPG

【九】-四轴飞行器仿真

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代码链接：码云：https://gitee.com/dingding962285595/parl_work  ；github：https://github.com/PaddlePaddle/PARL

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一、AI Studio 项目详解【VisualDL工具】

二、AI Studio 项目详解【环境使用说明、脚本任务】

三、AI Studio 项目详解【分布式训练-单机多机】

四、AI Studio 项目详解【图形化任务】

五、AI Studio 项目详解【在线部署及预测】

本节码源链接：https://github.com/PaddlePaddle/RLSchool

1.RLSchool:强化学习模拟环境集合

悬浮控制任务:

●保持四轴飞行器悬停不掉落

●环境:

●水平地板100 x 100

●飞行器自身

●初始状态:

●起始坐标(0, 0, 5)

●随机角度和随机速度

●停止条件:

●撞到地板

●超过1000个step

●Reward:

●悬停越久越好

●能量损耗越小越好

●离初始位置越近越好

2.安装

```
pip install rlschool
```

## 测试环境可视化功能

```sh
# 避障任务, 'no_collision'
python -m rlschool.quadrotor.env

# 速度控制任务, 'velocity_control'
python -m rlschool.quadrotor.env velocity_control

# 悬浮控制任务, 'hovering_control'
python -m rlschool.quadrotor.env hovering_control
```

环境正确安装后，飞行器飞行渲染效果如下：

* 避障任务

<img src="demo/demo_no_collision.gif" width="400"/>

* 速度控制任务

<img src="demo/demo_velocity_control.gif" width="400"/>

* 悬浮控制任务

<img src="demo/demo_hovering_control.gif" width="400"/>

3.环境创建及使用

四轴飞行器环境遵循标准的[Gym][gym] APIs接口来创建、运行和渲染环境。目前，四轴飞行器支持3种任务：避障任务、速度控制任务、悬浮控制任务。任务由创建环境时的`task`参数设定。

创建避障任务的示例代码如下：

```python
from rlschool import make_env
env = make_env("Quadrotor", task="no_collision", map_file=None, simulator_conf=None)
env.reset()
```

当参数`map_file`为默认值`None`时，模拟器世界是将使用100x100的平底作为地图。一旦飞行器落下，即认为击中障碍物，环境终止。地图文件是如[default_map.txt][map_example]格式的文本文件，其中每个数字表示对应位置障碍墙的高度。`-1`标记了飞行器的初识位置。需要时，可以设定`map_file`为用户自己生成的地图配置文件。

当参数`simulator_conf`是默认值`None`时，将会使用默认的模拟器配置[config.json][default_sim_conf]。如果用户需要自主设定四轴飞行器的动力学参数，可以将`simulator_conf`设定为新的_config.json_的路径。

创建速度控制任务的示例代码如下：

```python
from rlschool import make_env
env = make_env("Quadrotor", task="velocity_control", seed=0)
env.reset()
```

其中，`seed`参数是用来采样目标速度序列的随机种子，不同随机种子将生成不同的速度控制任务。

创建悬浮控制任务的示例代码如下：

```python
from rlschool import make_env
env = make_env("Quadrotor", task="hovering_control")
env.reset()
```

3.1 动作空间

四轴飞行器的动作代表施加在4个螺旋桨发动机的4个电压值，安装默认配置文件[config.json](default_sim_conf)，电压的范围在`[0.10, 15.0]`。

用户可以通过一些特殊的动作理解控制电压如何操作四轴飞行器，例如，动作`[1.0, 1.0, 1.0, 1.0]`将使无初速度的飞行器垂直向上或向下运动。

```python
from rlschool import make_env

env = make_env("Quadrotor", task="no_collision")
env.reset()
env.render()

reset = False
while not reset:
    state, reward, reset, info = env.step([1.0, 1.0, 1.0, 1.0])
    env.render()
```

3.2 状态

四轴飞行器的状态可以分为3类：传感器测量数据，飞行状态和任务相关状态。可以通过`env.step`返回的第四个量`info`获得Python字典形式的状态值。

3.2.1 传感器测量数据

* `acc_x`: 加速度计在x轴方向上的测量值。
* `acc_y`: 加速度计在y轴方向上的测量值。
* `acc_z`: 加速度计在z轴方向上的测量值。
* `gyro_x`: 陀螺仪在x轴方向上的测量值。
* `gyro_y`: 陀螺仪在y轴方向上的测量值。
* `gyro_z`: 陀螺仪在z轴方向上的测量值。
* `z`: 气压计测量的高度数据，为方便认为是到地面的距离。
* `pitch`: 飞行器绕y轴的逆时针转动角度。
* `roll`: 飞行器绕x轴的逆时针转动角度。
* `yaw`: 飞行器绕z轴的逆时针转动角度。

这里需要说明的是，`pitch`, `roll`, `yaw`是陀螺仪测量的角速度随时间的积累值，因此算作传感器测量。

3.2.2 飞行器状态

* `b_v_x`: 在飞行器坐标系下的x轴方向速度。
* `b_v_y`: 在飞行器坐标系下的y轴方向速度。
* `b_v_z`: 在飞行器坐标系下的z轴方向速度。

  3.2.3 任务相关状态

对速度控制任务，有如下额外状态：

* `next_target_g_v_x`: 任务设定的下一时刻目标速度在x轴的分量。
* `next_target_g_v_y`: 任务设定的下一时刻目标速度在y轴的分量。
* `next_target_g_v_z`: 任务设定的下一时刻目标速度在z轴的分量。

4.算法的收敛问题分析

4.1. 常规方法：

首先对于四轴飞行器的控制我们应利用 4 个维度的动作输出，以控制 4 个电机

但是这样的方法收敛速度非常慢

原因：这种情况下 4 个输出不但要学习环境的反馈变化，还要学习 4 者之间的搭配，所以导致学习时间非常长，达到收敛通常需要 100w steps 左右。

4.2. PARL思路探讨：

在本文中，让 DDPG 算法直接进行 5 个维度的输出，其中一个维度作为主控，同时控制 4 个电机的主电压，另外 4 个维度作为微调，对 4 个电机的电压做修正，其中设定输出电压为：主控电压+0.1*修正电压

最后效果非常好，5w-6w steps 左右就可以达到很好的收敛。

4.2.1 主程序train.py

import os
import numpy as np

import parl
from parl import layers
from paddle import fluid
from parl.utils import logger
from parl.utils import ReplayMemory  # 经验回放
#from parl.utils import action_mapping
from parl.env.continuous_wrappers import ActionMappingWrapper  # 将神经网络输出映射到对应的实际动作取值范围内

from rlschool import make_env  # 使用 RLSchool 创建飞行器环境
from quadrotor_model import QuadrotorModel
from quadrotor_agent import QuadrotorAgent
from parl.algorithms import DDPG

GAMMA = 0.99  # reward 的衰减因子，一般取 0.9 到 0.999 不等
TAU = 0.001  # target_model 跟 model 同步参数 的 软更新参数
ACTOR_LR = 0.0002  # Actor网络更新的 learning rate
CRITIC_LR = 0.001  # Critic网络更新的 learning rate
MEMORY_SIZE = 1e6  # replay memory的大小，越大越占用内存
MEMORY_WARMUP_SIZE = 1e4  # replay_memory 里需要预存一些经验数据，再从里面sample一个batch的经验让agent去learn
REWARD_SCALE = 0.01  # reward 的缩放因子
BATCH_SIZE = 256  # 每次给agent learn的数据数量，从replay memory随机里sample一批数据出来
TRAIN_TOTAL_STEPS = 1e6  # 总训练步数
TEST_EVERY_STEPS = 1e4  # 每个N步评估一下算法效果，每次评估5个episode求平均reward

def run_episode(env, agent, rpm):
    obs = env.reset()
    total_reward, steps = 0, 0
    while True:
        steps += 1
        batch_obs = np.expand_dims(obs, axis=0)
        action = agent.predict(batch_obs.astype('float32'))
        action = np.squeeze(action)

        # Add exploration noise, and clip to [-1.0, 1.0]
        action = np.clip(np.random.normal(action, 1.0), -1.0, 1.0)

        next_obs, reward, done, info = env.step(action)
        rpm.append(obs, action, REWARD_SCALE * reward, next_obs, done)

        if rpm.size() > MEMORY_WARMUP_SIZE:
            batch_obs, batch_action, batch_reward, batch_next_obs, \
                    batch_terminal = rpm.sample_batch(BATCH_SIZE)
            critic_cost = agent.learn(batch_obs, batch_action, batch_reward,
                                    batch_next_obs, batch_terminal)

        obs = next_obs
        total_reward += reward

        if done:
            break
    return total_reward, steps

# 评估 agent, 跑 5 个episode，总reward求平均
def evaluate(env, agent, render=False):
    eval_reward = []
    for i in range(5):
        obs = env.reset()
        total_reward, steps = 0, 0
        while True:
            batch_obs = np.expand_dims(obs, axis=0)
            action = agent.predict(batch_obs.astype('float32'))
            action = np.squeeze(action)
            action = np.clip(action, -1.0, 1.0)  ## special

            next_obs, reward, done, info = env.step(action)

            obs = next_obs
            total_reward += reward
            steps += 1

            if render:
                env.render()

            if done:
                break
        eval_reward.append(total_reward)
    return np.mean(eval_reward)

# 创建飞行器环境
env = make_env("Quadrotor", task="hovering_control")
# 将神经网络输出（取值范围为[-1, 1]）映射到对应的实际动作取值范围内
#env = ActionMappingWrapper(env)          #TODO:！！！！这一步会报错

env.reset()
obs_dim = env.observation_space.shape[0]
act_dim = env.action_space.shape[0]

# 使用parl框架搭建Agent：QuadrotorModel, DDPG, QuadrotorAgent三者嵌套
model = QuadrotorModel(act_dim)
algorithm = DDPG(
    model, gamma=GAMMA, tau=TAU, actor_lr=ACTOR_LR, critic_lr=CRITIC_LR)
agent = QuadrotorAgent(algorithm, obs_dim, act_dim)

# parl库也为DDPG算法内置了ReplayMemory，可直接从 parl.utils 引入使用
rpm = ReplayMemory(int(MEMORY_SIZE), obs_dim, act_dim)

test_flag = 0
total_steps = 0
'''
testing = 1    #添加的
if(not testing):    '''
while total_steps < TRAIN_TOTAL_STEPS:
    train_reward, steps = run_episode(env, agent, rpm)
    total_steps += steps
#logger.info('Steps: {} Reward: {}'.format(total_steps, train_reward))

    if total_steps // TEST_EVERY_STEPS >= test_flag:
        while total_steps // TEST_EVERY_STEPS >= test_flag:
            test_flag += 1

        evaluate_reward = evaluate(env, agent)
        logger.info('Steps {}, Test reward: {}'.format(total_steps,
                                                evaluate_reward))

        # 保存模型
        ckpt = 'model_dir/steps_{}.ckpt'.format(total_steps)
        agent.save(ckpt)
'''###添加的  TODO:参考添加的加载模型
else:
    # 加载模型
    save_path = 'model_dir/steps_10095.ckpt'
    agent.restore(save_path)

    evaluate_reward = evaluate(env, agent, render=False)
    logger.info('Test reward: {}'.format(evaluate_reward))
'''

4.2.2 加载模型，训练，测试------（包含测试）

该模块参考：https://blog.csdn.net/qq_42067550/article/details/106984355

# 加载模型
# save_path = 'model_dir_3/steps_1000000.ckpt'
# agent.restore(save_path)

# parl库也为DDPG算法内置了ReplayMemory，可直接从 parl.utils 引入使用
rpm = ReplayMemory(int(MEMORY_SIZE), obs_dim, act_dim)

test_flag = 0
total_steps = 0

testing = 1

if (not testing):
    while total_steps < TRAIN_TOTAL_STEPS:
        train_reward, steps = run_episode(env, agent, rpm)
        total_steps += steps
        # logger.info('Steps: {} Reward: {}'.format(total_steps, train_reward))

        if total_steps // TEST_EVERY_STEPS >= test_flag:
            while total_steps // TEST_EVERY_STEPS >= test_flag:
                test_flag += 1

            evaluate_reward = evaluate(env, agent)
            logger.info('Steps {}, Test reward: {}'.format(total_steps,
                                                           evaluate_reward))

            # 保存模型
            ckpt = 'model_dir_1/steps_{}.ckpt'.format(total_steps)
            agent.save(ckpt)

else:
    # 加载模型
    save_path = 'steps_50000.ckpt'
    agent.restore(save_path)

    evaluate_reward = evaluate(env, agent, render=False)
    logger.info('Test reward: {}'.format(evaluate_reward))

4.2.3神经网络model

import paddle.fluid as fluid
import parl
from parl import layers

class ActorModel(parl.Model):
    def __init__(self, act_dim):
        hidden_dim_1, hidden_dim_2 = 64, 64
        self.fc1 = layers.fc(size=hidden_dim_1, act='tanh')
        self.fc2 = layers.fc(size=hidden_dim_2, act='tanh')
        self.fc3 = layers.fc(size=act_dim, act='tanh')

    def policy(self, obs):
        x = self.fc1(obs)
        x = self.fc2(x)
        return self.fc3(x)

class CriticModel(parl.Model):
    def __init__(self):
        hidden_dim_1, hidden_dim_2 = 64, 64
        self.fc1 = layers.fc(size=hidden_dim_1, act='tanh')
        self.fc2 = layers.fc(size=hidden_dim_2, act='tanh')
        self.fc3 = layers.fc(size=1, act=None)

    def value(self, obs, act):
        x = self.fc1(obs)
        concat = layers.concat([x, act], axis=1)
        x = self.fc2(concat)
        Q = self.fc3(x)
        Q = layers.squeeze(Q, axes=[1])
        return Q

class QuadrotorModel(parl.Model):
    def __init__(self, act_dim):
        self.actor_model = ActorModel(act_dim)
        self.critic_model = CriticModel()

    def policy(self, obs):
        return self.actor_model.policy(obs)

    def value(self, obs, act):
        return self.critic_model.value(obs, act)

    def get_actor_params(self):
        return self.actor_model.parameters()

4.2.4 agent模块

import numpy as np
import parl
from parl import layers
from paddle import fluid

class QuadrotorAgent(parl.Agent):
    def __init__(self, algorithm, obs_dim, act_dim=4):
        assert isinstance(obs_dim, int)
        assert isinstance(act_dim, int)
        self.obs_dim = obs_dim
        self.act_dim = act_dim
        super(QuadrotorAgent, self).__init__(algorithm)

        # Attention: In the beginning, sync target model totally.
        self.alg.sync_target(decay=0)

    def build_program(self):
        self.pred_program = fluid.Program()
        self.learn_program = fluid.Program()

        with fluid.program_guard(self.pred_program):
            obs = layers.data(
                name='obs', shape=[self.obs_dim], dtype='float32')
            self.pred_act = self.alg.predict(obs)

        with fluid.program_guard(self.learn_program):
            obs = layers.data(
                name='obs', shape=[self.obs_dim], dtype='float32')
            act = layers.data(
                name='act', shape=[self.act_dim], dtype='float32')
            reward = layers.data(name='reward', shape=[], dtype='float32')
            next_obs = layers.data(
                name='next_obs', shape=[self.obs_dim], dtype='float32')
            terminal = layers.data(name='terminal', shape=[], dtype='bool')
            _, self.critic_cost = self.alg.learn(obs, act, reward, next_obs,
                                                terminal)

    def predict(self, obs):
        obs = np.expand_dims(obs, axis=0)
        act = self.fluid_executor.run(
            self.pred_program, feed={'obs': obs},
            fetch_list=[self.pred_act])[0]
        return act

    def learn(self, obs, act, reward, next_obs, terminal):
        feed = {
            'obs': obs,
            'act': act,
            'reward': reward,
            'next_obs': next_obs,
            'terminal': terminal
        }
        critic_cost = self.fluid_executor.run(
            self.learn_program, feed=feed, fetch_list=[self.critic_cost])[0]
        self.alg.sync_target()
        return critic_cost

5. 仿真结果：

代码详细解析和结果见-链接：https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/1705633