轨迹规划是机器人控制中的核心问题,SAC(Soft Actor-Critic)因其出色的探索能力和稳定性,特别适合解决复杂的连续控制类轨迹规划问题。下面我将详细介绍如何用SAC实现高效的轨迹规划。
1. 轨迹规划问题建模
1.1 状态空间设计
对于机器人轨迹规划,典型的状态表示包括:
python
state = {
'joint_positions': [q1, q2, ..., qn], # 关节角度
'joint_velocities': [dq1, dq2, ..., dqn], # 关节速度
'end_effector_pos': [x, y, z], # 末端执行器位置
'target_pos': [x_t, y_t, z_t], # 目标位置
'obstacle_info': [obs1_x, obs1_y, obs1_r, ...] # 障碍物信息
}
1.2 动作空间设计
python
action = [τ1, τ2, ..., τn] # 各关节的扭矩控制量 # 通常需要归一化到[-1, 1]范围
1.3 奖励函数设计
多目标奖励函数示例:
python
def compute_reward(state, action, next_state):
# 1. 到达目标奖励
dist_to_target = np.linalg.norm(next_state['end_effector_pos'] - state['target_pos'])
reach_reward = -10.0 * dist_to_target # 距离惩罚
# 2. 碰撞惩罚
collision_penalty = 0.0
for obs in state['obstacle_info']:
obs_dist = np.linalg.norm(next_state['end_effector_pos'] - obs[:3])
if obs_dist < obs[3]: # 障碍物半径
collision_penalty -= 50.0
# 3. 动作平滑惩罚
action_diff = np.linalg.norm(action - state['last_action'])
smooth_penalty = -0.1 * action_diff
# 4. 能量消耗惩罚
energy_penalty = -0.01 * np.sum(np.square(action))
# 5. 成功奖励
success_bonus = 100.0 if dist_to_target < 0.02 else 0.0 # 2cm内视为成功
return reach_reward + collision_penalty + smooth_penalty + energy_penalty + success_bonus
2. SAC实现轨迹规划的关键技术
2.1 网络架构设计
增强的SAC网络实现:
python
class EnhancedSAC(nn.Module):
def __init__(self, state_dim, action_dim, max_action):
super().__init__()
# 状态编码器(处理高维输入)
self.encoder = nn.Sequential(
nn.Linear(state_dim, 512),
nn.LayerNorm(512),
nn.ReLU(),
nn.Linear(512, 256),
nn.LayerNorm(256),
nn.ReLU()
)
# 策略网络
self.actor_mean = nn.Linear(256, action_dim)
self.actor_log_std = nn.Linear(256, action_dim)
# 双Q网络
self.critic1 = nn.Sequential(
nn.Linear(256 + action_dim, 256),
nn.ReLU(),
nn.Linear(256,

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