强化学习：从基础到机器人控制实践

引言

强化学习（Reinforcement Learning, RL）作为机器学习的一个重要分支，通过智能体（agent）与环境（environment）的交互来学习最优策略（policy）。与监督学习需要大量标注数据不同，强化学习通过试错（trial-and-error）的方式，从奖励信号（reward signal）中学习，这使得它在机器人控制、游戏AI、自动驾驶等领域展现出巨大潜力。

在机器人控制场景中，强化学习能够处理传统控制方法难以建模的复杂环境。无论是移动机器人的导航避障、机械臂的抓取操作，还是人形机器人的步态控制，强化学习都展现出了强大的适应性。与传统的基于模型的控制方法相比，强化学习不需要精确的环境动力学模型，能够直接从传感器数据中学习控制策略，这使得它在面对不确定性和复杂环境时更具优势。

本文将系统介绍强化学习的理论基础，从马尔可夫决策过程（Markov Decision Process, MDP）开始，逐步深入到价值方法、策略梯度、深度强化学习等核心算法，并结合机器人控制的实际应用场景，提供实践指导和调参建议。

基础框架：马尔可夫决策过程

MDP 的核心要素

马尔可夫决策过程是强化学习的数学基础，它形式化地描述了智能体与环境交互的过程。一个MDP由以下要素组成：

• 状态空间（State Space） $S$：环境所有可能状态的集合。在机器人导航中，状态可能包括位置、速度、传感器读数等。
• 动作空间（Action Space） $A$：智能体可以执行的所有动作的集合。对于移动机器人，动作可能是前进、后退、左转、右转等离散动作，或者是连续的速度和角速度指令。
• 转移概率（Transition Probability） $P(s'|s,a)$：在状态 $s$ 执行动作 $a$ 后，转移到状态 $s'$ 的概率。这描述了环境的动态特性。
• 奖励函数（Reward Function） $R(s,a,s')$：智能体在状态 $s$ 执行动作 $a$ 并转移到 $s'$ 时获得的即时奖励（reward）。奖励函数的设计至关重要，它引导智能体学习期望的行为。
• 折扣因子（Discount Factor） $\gamma \in [0,1]$：用于权衡即时奖励和未来奖励的重要性。$\gamma$ 接近1时，智能体更关注长期回报；接近0时，更关注即时奖励。

回报与目标

智能体的目标是最大化累积回报（return），定义为：

$G_t = R_{t+1} + \gamma R_{t+2} + \gamma^2 R_{t+3} + \cdots = \sum_{k=0}^{\infty} \gamma^k R_{t+k+1}$

其中 $G_t$ 表示从时刻 $t$ 开始的累积折扣回报。

价值函数与策略

状态价值函数（State Value Function） $V^{\pi}(s)$ 表示在策略 $\pi$ 下，从状态 $s$ 开始的期望回报：

$V^{\pi}(s) = \mathbb{E}_{\pi}[G_t | S_t = s] = \mathbb{E}_{\pi}\left[\sum_{k=0}^{\infty} \gamma^k R_{t+k+1} | S_t = s\right]$

动作价值函数（Action Value Function） $Q^{\pi}(s,a)$ 表示在状态 $s$ 执行动作 $a$ 后，遵循策略 $\pi$ 的期望回报：

$Q^{\pi}(s,a) = \mathbb{E}_{\pi}[G_t | S_t = s, A_t = a]$

最优策略（Optimal Policy） $\pi^*$ 是使得价值函数最大的策略：

$V^*(s) = \max_{\pi} V^{\pi}(s), \quad Q^*(s,a) = \max_{\pi} Q^{\pi}(s,a)$

最优策略满足：

$\pi^*(a|s) = \begin{cases} 1 & \text{if } a = \arg\max_{a'} Q^*(s,a') \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}$

动态规划与价值方法

Bellman 方程

价值函数满足 Bellman 方程，这是强化学习算法的理论基础。状态价值函数的 Bellman 方程为：

$V^{\pi}(s) = \sum_{a} \pi(a|s) \sum_{s',r} P(s',r|s,a)[r + \gamma V^{\pi}(s')]$

最优价值函数满足 Bellman 最优性方程：

$V^*(s) = \max_{a} \sum_{s',r} P(s',r|s,a)[r + \gamma V^*(s')]$

$Q^*(s,a) = \sum_{s',r} P(s',r|s,a)[r + \gamma \max_{a'} Q^*(s',a')]$

价值迭代与策略迭代

价值迭代（Value Iteration） 通过迭代更新价值函数直到收敛：

$V_{k+1}(s) = \max_{a} \sum_{s',r} P(s',r|s,a)[r + \gamma V_k(s')]$

策略迭代（Policy Iteration） 交替进行策略评估和策略改进：

1. 策略评估：计算当前策略的价值函数
2. 策略改进：根据价值函数更新策略

这两种方法都需要知道环境的转移概率 $P(s',r|s,a)$，因此属于**基于模型（Model-based）的方法。在实际应用中，环境模型往往未知或难以精确建模，因此需要无模型（Model-free）**的方法。

无模型强化学习

Q-learning 与 SARSA

Q-learning 是一种经典的时序差分（Temporal Difference, TD）学习算法，用于学习最优动作价值函数：

$Q(s_t,a_t) \leftarrow Q(s_t,a_t) + \alpha[r_{t+1} + \gamma \max_{a'} Q(s_{t+1},a') - Q(s_t,a_t)]$

其中 $\alpha$ 是学习率（learning rate）。Q-learning 是**离线策略（Off-policy）**算法，因为它学习最优策略，但可以使用任意策略收集经验。

SARSA（State-Action-Reward-State-Action）是**在线策略（On-policy）**算法：

$Q(s_t,a_t) \leftarrow Q(s_t,a_t) + \alpha[r_{t+1} + \gamma Q(s_{t+1},a_{t+1}) - Q(s_t,a_t)]$

SARSA 学习的是当前策略的价值函数，而不是最优策略。

探索与利用

在强化学习中，智能体需要在**探索（Exploration）新动作和利用（Exploitation）**已知好的动作之间平衡。$\epsilon$-greedy 策略是常用的探索策略：

$\pi(a|s) = \begin{cases} 1-\epsilon + \frac{\epsilon}{|A|} & \text{if } a = \arg\max_{a'} Q(s,a') \\ \frac{\epsilon}{|A|} & \text{otherwise} \end{cases}$

其中 $\epsilon$ 是探索率，以 $\epsilon$ 的概率随机选择动作，以 $1-\epsilon$ 的概率选择最优动作。

Deep Q-Network (DQN)

当状态空间很大或连续时，使用表格存储 Q 值变得不可行。DQN 使用深度神经网络来近似 Q 函数，解决了维度灾难问题。

DQN 的核心改进

经验回放（Experience Replay）：存储经验元组 $(s_t, a_t, r_{t+1}, s_{t+1})$ 到回放缓冲区（replay buffer），训练时随机采样批次数据，打破数据间的相关性，提高样本效率。

目标网络（Target Network）：使用一个独立的网络来计算目标 Q 值，定期更新，减少训练过程中的不稳定性：

$Q(s_t,a_t) \leftarrow Q(s_t,a_t) + \alpha[r_{t+1} + \gamma \max_{a'} Q_{\text{target}}(s_{t+1},a') - Q(s_t,a_t)]$

DQN 算法流程

graph TD
    A[初始化Q网络和目标网络] --> B[观察状态s_t]
    B --> C{选择动作}
    C -->|ε-greedy| D[执行动作a_t]
    D --> E[观察奖励r和下一状态s_{t+1}]
    E --> F[存储经验到回放缓冲区]
    F --> G{缓冲区是否足够大?}
    G -->|否| B
    G -->|是| H[采样批次经验]
    H --> I[计算目标Q值]
    I --> J[更新Q网络]
    J --> K{是否更新目标网络?}
    K -->|是| L[复制Q网络到目标网络]
    K -->|否| B
    L --> B

DQN 在 Atari 游戏和离散动作空间的机器人控制任务中取得了显著成功，但对于连续动作空间（如机械臂控制），需要其他方法。

基于策略的方法与 Actor-Critic

策略梯度

**策略梯度（Policy Gradient）**方法直接优化策略参数 $\theta$，目标是最大化期望回报：

$J(\theta) = \mathbb{E}_{\tau \sim \pi_{\theta}}[R(\tau)]$

其中 $\tau$ 是轨迹（trajectory），$R(\tau)$ 是轨迹的累积回报。

策略梯度定理给出了目标函数的梯度：

$\nabla_{\theta} J(\theta) = \mathbb{E}_{\tau \sim \pi_{\theta}}\left[\sum_{t=0}^{T} \nabla_{\theta} \log \pi_{\theta}(a_t|s_t) R(\tau)\right]$

REINFORCE 算法是策略梯度的经典实现，使用蒙特卡洛方法估计回报。但这种方法方差很大，导致训练不稳定。

Actor-Critic 框架

Actor-Critic 方法结合了价值函数和策略梯度，使用价值函数作为基线（baseline）来减少方差：

$\nabla_{\theta} J(\theta) = \mathbb{E}_{\tau \sim \pi_{\theta}}\left[\sum_{t=0}^{T} \nabla_{\theta} \log \pi_{\theta}(a_t|s_t) A(s_t,a_t)\right]$

其中优势函数（Advantage Function） $A(s_t,a_t) = Q(s_t,a_t) - V(s_t)$ 表示动作相对于平均水平的优势。

Actor-Critic 包含两个组件：

• Actor：策略网络，负责选择动作
• Critic：价值网络，负责评估状态或动作的价值

A2C（Advantage Actor-Critic） 和 A3C（Asynchronous Advantage Actor-Critic） 是 Actor-Critic 的经典变体，在连续控制任务中表现优异。

机器人控制中的强化学习

连续动作空间

机器人控制通常涉及连续动作空间（如速度、力矩指令）。DDPG（Deep Deterministic Policy Gradient） 和 TD3（Twin Delayed DDPG） 是处理连续动作的经典算法：

• DDPG：结合 DQN 和 Actor-Critic，使用确定性策略和经验回放
• TD3：在 DDPG 基础上引入双 Q 网络、延迟策略更新和目标策略平滑，提高稳定性

PPO（Proximal Policy Optimization） 是另一种流行的算法，通过限制策略更新幅度来保证训练稳定性：

$L^{\text{CLIP}}(\theta) = \mathbb{E}_t\left[\min(r_t(\theta)\hat{A}_t, \text{clip}(r_t(\theta), 1-\epsilon, 1+\epsilon)\hat{A}_t)\right]$

其中 $r_t(\theta) = \frac{\pi_{\theta}(a_t|s_t)}{\pi_{\theta_{\text{old}}}(a_t|s_t)}$ 是重要性采样比率。

奖励设计

奖励函数的设计对强化学习至关重要。在机器人控制中，常见挑战包括：

• 稀疏奖励（Sparse Reward）：只在完成任务时给予奖励，导致探索困难

  • 解决方案：奖励塑形（reward shaping）、课程学习（curriculum learning）、示教学习（imitation learning）

• 奖励尺度：奖励过大或过小都会影响训练

  • 解决方案：奖励归一化、自适应奖励缩放

• 多目标平衡：需要平衡速度、精度、能耗等多个目标

  • 解决方案：加权奖励、多目标优化

安全与约束

在真实机器人上部署强化学习策略时，安全性至关重要：

• 域随机化（Domain Randomization）：在仿真中随机化环境参数（摩擦力、质量、传感器噪声等），提高策略的鲁棒性
• 约束优化：在策略优化中加入安全约束，避免危险动作
• 仿真到实物的迁移（Sim-to-Real）：通过域适应技术，将在仿真中训练的策略迁移到真实机器人

实践示例：CartPole 环境

下面是一个使用 PyTorch 和 Gymnasium 实现的简单策略梯度示例：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import gymnasium as gym
import numpy as np

# 策略网络（Actor）
class PolicyNetwork(nn.Module):
    def __init__(self, state_dim, action_dim, hidden_dim=128):
        super().__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(state_dim, hidden_dim)
        self.fc2 = nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim)
        self.fc3 = nn.Linear(hidden_dim, action_dim)

    def forward(self, state):
        x = torch.relu(self.fc1(state))
        x = torch.relu(self.fc2(x))
        return torch.softmax(self.fc3(x), dim=-1)

# 价值网络（Critic）
class ValueNetwork(nn.Module):
    def __init__(self, state_dim, hidden_dim=128):
        super().__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(state_dim, hidden_dim)
        self.fc2 = nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim)
        self.fc3 = nn.Linear(hidden_dim, 1)

    def forward(self, state):
        x = torch.relu(self.fc1(state))
        x = torch.relu(self.fc2(x))
        return self.fc3(x)

# 训练参数
env = gym.make('CartPole-v1')
state_dim = env.observation_space.shape[0]
action_dim = env.action_space.n
policy_net = PolicyNetwork(state_dim, action_dim)
value_net = ValueNetwork(state_dim)
optimizer_policy = optim.Adam(policy_net.parameters(), lr=3e-4)
optimizer_value = optim.Adam(value_net.parameters(), lr=3e-4)

gamma = 0.99
max_episodes = 1000

# 训练循环
for episode in range(max_episodes):
    state, _ = env.reset()
    states, actions, rewards, log_probs = [], [], [], []

    # 收集轨迹
    while True:
        state_tensor = torch.FloatTensor(state)
        action_probs = policy_net(state_tensor)
        action = torch.multinomial(action_probs, 1).item()
        log_prob = torch.log(action_probs[action])

        next_state, reward, terminated, truncated, _ = env.step(action)
        done = terminated or truncated

        states.append(state)
        actions.append(action)
        rewards.append(reward)
        log_probs.append(log_prob)

        state = next_state
        if done:
            break

    # 计算回报和优势
    returns = []
    G = 0
    for r in reversed(rewards):
        G = r + gamma * G
        returns.insert(0, G)

    returns = torch.FloatTensor(returns)
    states_tensor = torch.FloatTensor(states)
    values = value_net(states_tensor).squeeze()
    advantages = returns - values

    # 更新策略网络
    policy_loss = -torch.stack(log_probs) * advantages.detach()
    optimizer_policy.zero_grad()
    policy_loss.mean().backward()
    optimizer_policy.step()

    # 更新价值网络
    value_loss = nn.functional.mse_loss(values, returns)
    optimizer_value.zero_grad()
    value_loss.backward()
    optimizer_value.step()

    if episode % 100 == 0:
        print(f"Episode {episode}, Total Reward: {sum(rewards)}")

这个示例展示了 Actor-Critic 方法的核心思想：使用价值网络估计状态价值，计算优势函数，然后用优势函数加权策略梯度来更新策略网络。

常见陷阱与调参建议

超参数调优

• 学习率（Learning Rate）：通常设置在 $10^{-4}$ 到 $10^{-3}$ 之间，Actor 和 Critic 可以使用不同的学习率
• 折扣因子 $\gamma$：接近1（如0.99）关注长期回报，接近0关注即时奖励
• 探索率 $\epsilon$：在 $\epsilon$-greedy 中，可以从1.0线性衰减到0.01
• 批次大小（Batch Size）：经验回放的批次大小通常为32-256

训练稳定性

• 梯度裁剪（Gradient Clipping）：防止梯度爆炸，通常限制在 $[-1, 1]$ 或 $[-0.5, 0.5]$
• 奖励归一化：对奖励进行标准化，使其均值为0、方差为1
• 状态归一化：对输入状态进行归一化，加速训练
• 固定随机种子：设置 torch.manual_seed() 和 np.random.seed() 确保可复现性

调试技巧

• 监控指标：跟踪平均回报、策略损失、价值损失、探索率等
• 可视化：绘制训练曲线，观察收敛情况
• 检查梯度：监控梯度范数，确保梯度不会消失或爆炸
• 超参数敏感性分析：系统性地测试不同超参数组合的影响

总结

强化学习为机器人控制提供了强大的工具，从基础的 MDP 框架到深度强化学习算法，从离散动作空间到连续控制，从仿真训练到真实部署，每一个环节都需要深入理解和精心设计。奖励函数的设计、探索策略的选择、超参数的调优，都会显著影响最终的性能。

随着计算能力的提升和算法的改进，强化学习在机器人领域的应用前景广阔。从简单的导航任务到复杂的操作技能，从单一智能体到多智能体协作，强化学习正在推动机器人技术的快速发展。

参考文献

1. Sutton, R. S., & Barto, A. G. (2018). Reinforcement Learning: An Introduction (2nd ed.). MIT Press.
2. Mnih, V., et al. (2015). Human-level control through deep reinforcement learning. Nature, 518(7540), 529-533.
3. Silver, D., et al. (2016). Mastering the game of Go with deep neural networks and tree search. Nature, 529(7587), 484-489.
4. Schulman, J., et al. (2017). Proximal Policy Optimization Algorithms. arXiv preprint arXiv:1707.06347.
5. Lillicrap, T. P., et al. (2015). Continuous control with deep reinforcement learning. arXiv preprint arXiv:1509.02971.
6. Fujimoto, S., et al. (2018). Addressing Function Approximation Error in Actor-Critic Methods. ICML.
7. OpenAI Gymnasium: https://gymnasium.farama.org/
8. Stable-Baselines3: https://stable-baselines3.readthedocs.io/