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PriPG-RL:基于特权规划器引导的强化学习,用于部分可观测系统与任意时间可行模型预测控制
PriPG-RL: Privileged Planner-Guided Reinforcement Learning for Partially Observable Systems with Anytime-Feasible MPC

作者: Mohsen Amiri, Mohsen Amiri, Ali Beikmohammadi 等5人
arXiv: 2604.08036v1
分类: cs.LG, cs.RO
📝 论文摘要
本文针对部分可观测条件下的强化学习策略训练问题,提出通过利用仅在训练阶段可用的特权规划智能体实现高效学习。我们将该问题形式化为部分可观测马尔可夫决策过程,其中具备近似动力学模型和特权状态信息的规划智能体,引导仅能观测真实状态有损投影的学习智能体。为实现该框架,我们提出一种作为规划智能体的实时可行模型预测控制算法。针对学习智能体,我们提出规划器到策略的柔性演员-评论家方法,通过蒸馏规划智能体的特权知识来缓解部分可观测性,从而提升样本效率与最终策略性能。我们通过严格的理论分析支撑该框架,并在NVIDIA Isaac Lab仿真环境中验证了方法的有效性,最终成功将其部署于现实世界的宇树Go2四足机器人,实现了在复杂多障碍环境中的自主导航。

📊 核心分析

🎯 研究动机
该论文旨在解决部分可观测(partially observable)系统中强化学习(reinforcement learning)策略训练困难的问题。研究背景是,在现实世界的机器人控制等任务中,智能体通常只能获得不完整或有噪声的状态观测,这严重影响了强化学习的样本效率(sample efficiency)和最终性能。
🔧 核心方法
论文提出了一个名为PriPG-RL的框架,包含两个核心部分: - **规划器(planner)**: 设计了一个随时可行(anytime-feasible)的模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)算法作为规划器代理。该规划器在训练期间拥有特权(privileged),可以访问近似动力学模型和完整状态信息。 - **学习代理(learning agent)**: 提出了规划器到策略的软演员-评论家(Planner-to-Policy Soft Actor-Critic, P2P-SAC)方法。该方法通过知识蒸馏(knowledge distillation)将规划器的特权知识迁移到仅能观测到有损状态投影的学习代理策略中,以缓解部分可观测性。
💡 核心创新
论文的核心创新点在于: - **特权规划器引导的训练范式**: 提出了一个新颖的训练框架,在训练阶段利用一个拥有特权信息(完整状态、近似模型)的规划器来引导一个仅能获得部分观测的学习代理,而在部署时仅使用学习到的策略。 - **随时可行的MPC规划器**: 设计了一种新的MPC算法作为规划器,其“随时可行”特性确保了即使在计算时间有限或求解器未完全收敛的情况下,也能提供一个可行的(即使非最优)控制序列,这对于实时交互训练至关重要。 - **P2P-SAC蒸馏方法**: 将特权规划器的知识通过特定的蒸馏机制整合到SAC算法中,专门用于应对部分可观测马尔可夫决策过程(Partially Observable Markov Decision Process, POMDP)的挑战,从而同时提升样本效率和最终策略性能。
🏆 总体贡献
论文对该领域的总体贡献包括: - **提出并形式化了一个新的训练框架**: 将特权规划器引导的强化学习问题形式化为一个POMDP,为类似研究提供了理论基础。 - **提供了完整的算法与理论分析**: 提出了PriPG-RL框架、随时可行MPC算法和P2P-SAC方法,并辅以严格的理论分析。 - **实现了从仿真到实物的成功验证**: 在NVIDIA Isaac Lab仿真环境中验证了方法,并成功部署到真实的Unitree Go2四足机器人上,使其能够在复杂、多障碍物的环境中导航,证明了方法的有效性和实用性。