編者按: 智顯未來，洞見新知。中科院之聲與中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所聯(lián)合開設(shè)“智言智語”科普專欄，為你介紹人工智能相關(guān)知識(shí)與故事，從最新成果到背后趣聞，帶你徜徉AI空間，看人工智能如何喚醒萬物，讓世界變得更美好 。
隨著智能技術(shù)的發(fā)展，各式各樣的服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)成為我們生活中的?？?。那么，你有沒有產(chǎn)生過這樣的疑問：機(jī)器人會(huì)認(rèn)路嗎？它們是怎么探索新環(huán)境的呢？
（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
是像人類一樣用炯炯有神的大眼睛直接探路？
（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
或者借助某種神妙之力？
當(dāng)然沒有這么簡(jiǎn)單，請(qǐng)聽我們的詳細(xì)解答！
以目前已經(jīng)在我們的日常生活中廣泛使用的掃地機(jī)器人為例，作為非常需要具備“認(rèn)路”能力的一類機(jī)器人，為了實(shí)現(xiàn)快速的環(huán)境清掃工作，它在到達(dá)新環(huán)境時(shí)的第一項(xiàng)工作便是——構(gòu)建環(huán)境地圖。地圖對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來說非常重要，一方面，機(jī)器人需要通過地圖估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻在環(huán)境中的位置；另一方面，地圖為機(jī)器人的路徑規(guī)劃系統(tǒng)提供了搜索空間，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在環(huán)境中安全，快速地移動(dòng)。
圖1 掃地機(jī)器人（圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）
因此，快速地構(gòu)建精確的環(huán)境地圖是服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)安全高效服務(wù)的前提。環(huán)境地圖很重要，但機(jī)器人又是如何順利構(gòu)建地圖的呢？這里我們就不得不提到解決這類問題的核心方法——未知環(huán)境探索，它是指機(jī)器人在一個(gè)全新的環(huán)境中，通過自主移動(dòng)構(gòu)建整個(gè)環(huán)境地圖的過程。未知環(huán)境探索的關(guān)鍵在于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的計(jì)算，以保證機(jī)器人采取有效的動(dòng)作構(gòu)建精確的環(huán)境地圖。
除了室內(nèi)這種掃地機(jī)器人，未知環(huán)境探索方法也廣泛應(yīng)用于室外環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人上。例如救援機(jī)器人，需要在一個(gè)新的環(huán)境中搜救幸存者，通過自主探索希望能夠快速地覆蓋整個(gè)環(huán)境區(qū)域。礦井勘探機(jī)器人以及海底探測(cè)機(jī)器人上也常常用到這類技術(shù)，其任務(wù)目的都是盡可能地覆蓋更多的區(qū)域，以完成特定的任務(wù)。
未知環(huán)境探索方法有著怎樣的發(fā)展歷史呢？
未知環(huán)境探索問題在上個(gè)世紀(jì)90年代提出，其目標(biāo)是使機(jī)器人在全新的環(huán)境中具有自主決策能力。目前常用的未知環(huán)境探索決策方法有三大類：基于邊界的方法，基于信息的方法，以及基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。
基于邊界的方法是最早的未知環(huán)境探索方法，它通過檢測(cè)地圖中的自由區(qū)域與未知區(qū)域之間的邊界，以引導(dǎo)機(jī)器人探索沒有去過的環(huán)境。在三維環(huán)境中，由于這種邊界很難在三維空間地圖上直接搜索，因此會(huì)常常與一些隨機(jī)搜索算法相結(jié)合，例如快速隨機(jī)搜索樹等。這種方法在室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人，礦井搜索機(jī)器人中廣泛使用。
基于信息的方法則是將信息理論中熵的概念引入到未知環(huán)境探索問題中以構(gòu)建優(yōu)化問題。在信息理論中，熵通常用于衡量一個(gè)分布的不確定程度。熵值越大，表示對(duì)狀態(tài)的不確定性越高。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)一個(gè)新的環(huán)境時(shí)，此時(shí)面臨地圖的熵值是最大的，而機(jī)器人需要通過移動(dòng)，增加地圖上每個(gè)位置狀態(tài)的確定性，以減小地圖熵值。
隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，近幾年也衍生出了一些基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的未知環(huán)境探索方法。例如采用深度圖像或局部視野范圍內(nèi)構(gòu)建的地圖作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，采用監(jiān)督學(xué)習(xí)訓(xùn)練方法，直接預(yù)測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。這種方法一方面依賴于大量的監(jiān)督數(shù)據(jù)，另一方面容易陷入局部解。強(qiáng)化學(xué)習(xí)作為一種序列決策方法，通常會(huì)被結(jié)合進(jìn)來用于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程中。相比于前兩類方法，這類方法的優(yōu)勢(shì)有兩點(diǎn)：不再依賴專家規(guī)則，并且可以處理更雜亂的環(huán)境。
基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的未知環(huán)境探索方法
近幾年，Alpha Go, AlphaGo Zero等游戲AI在圍棋領(lǐng)域取得巨大突破使其核心技術(shù)——“深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)”——得到了廣泛的關(guān)注。與此同時(shí)，深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)也逐漸應(yīng)用到機(jī)器人領(lǐng)域，而基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的自主探索成為未知環(huán)境探索領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向之一，這類方法通常是設(shè)計(jì)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，訓(xùn)練傳感器數(shù)據(jù)到動(dòng)作的映射網(wǎng)絡(luò)。前面也提到，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法相比于其他方法有很多優(yōu)勢(shì)，但是它也存在一些問題。首先，這種方法需要大量訓(xùn)練樣本和訓(xùn)練時(shí)間，而訓(xùn)練過程通常是在仿真環(huán)境中進(jìn)行，由于實(shí)際環(huán)境和實(shí)際機(jī)器人誤差，從而導(dǎo)致從仿真環(huán)境中訓(xùn)練出的智能體很難遷移到實(shí)際的機(jī)器人上。針對(duì)這個(gè)問題，中科院自動(dòng)化所深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)提出了一種學(xué)習(xí)效率高、遷移性能強(qiáng)的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)未知環(huán)境自主探索算法。
圖2 自主探索框架
團(tuán)隊(duì)以自主導(dǎo)航框架為基礎(chǔ)，將未知環(huán)境探索分解為建圖、決策和規(guī)劃三個(gè)模塊。通過將決策模塊與規(guī)劃模塊相結(jié)合，減小機(jī)器人學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)的難度，從而提高機(jī)器人學(xué)習(xí)效率。并且重新定了機(jī)器人決策動(dòng)作空間，提高算法實(shí)體遷移性。該動(dòng)作空間定義在建圖模塊得到的柵格地圖，由若干目標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成。
圖3 基于柵格地圖的動(dòng)作空間
在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種帶有輔助任務(wù)的全卷積Q網(wǎng)絡(luò)（Fully Convolutional Q-network with an Auxiliary task，AFCQN），可以根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻構(gòu)建的地圖，當(dāng)前時(shí)刻機(jī)器人位置和上一時(shí)刻機(jī)器人位置，對(duì)動(dòng)作空間中的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
圖4 動(dòng)作評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以通過使用結(jié)合地圖信息熵設(shè)計(jì)的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)。
圖5 實(shí)際環(huán)境中自動(dòng)探索過程
通過仿真環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際環(huán)境中實(shí)體機(jī)器人上的實(shí)驗(yàn)表明，團(tuán)隊(duì)提出的這種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的自主探索算法具有更好的學(xué)習(xí)效率和實(shí)體遷移性能。并且相比于經(jīng)典方法，該方法在處理雜亂環(huán)境時(shí)具有更高的探索效率。
總結(jié)：
未知環(huán)境探索使機(jī)器人在新環(huán)境中不再“迷路”，是進(jìn)行自主工作的前提，也是機(jī)器人自主學(xué)習(xí)和進(jìn)化的關(guān)鍵。未知環(huán)境探索不僅讓機(jī)器人熟悉新環(huán)境，更重要的是為后續(xù)決策提供重要的環(huán)境地圖信息。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)為未知環(huán)境探索提供了新思路，但也面臨著學(xué)習(xí)效率低的問題。高效和魯棒的學(xué)習(xí)算法仍然是今后努力發(fā)展的方向。
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來源：中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所
