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基于强化学习的RoboCup 2D高层抢球策略研究

作　者: 陈士洋
导　师: 李学俊
学　校: 安徽大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 机器人足球 Keepaway 强化学习抢球策略策略重用迁移学习
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

RoboCup,机器人足球世界杯,是一个国际性的综合赛事,其中的2D项目提出了一个复杂的实时多主体环境下的智能体决策问题。当前人工智能正处在由“单主体静态可预测环境中的问题求解”向“多主体动态不可预测环境中的问题求解”过渡的阶段,RoboCup2D问题中的智能决策研究代表人工智能的最新理论方向,同时RoboCup2D问题的解决可以助力当前信息时代的深入发展和革新。RoboCup2D问题的重点是高层决策,目前处理高层决策问题的方法有手工策略和各种人工智能的方法。传统的高层决策采用手工策略,手工策略具有很大的主观性,相关参数的选取多根据经验,不能保证很优化；同时手工策略无法考虑所有的比赛情形,对比赛情形动态变化的适应能力差,从而导致球员达成目标的效率底下。基于人工智能的方法则包括强化学习、决策树学习、神经网络学习等,它们由于具有学习能力,优于简单的手工策略。在强化学习过程中,智能体通过不断进行动作尝试并观察动作的回报,逐渐学会在各种情形下选择对其有利的动作,以使自身在与环境交互过程中获得高的累积回报值。强化学习的环境交互特点和RoboCup2D的客户-服务器交互模式一致；强化学习的连续决策特点和RoboCup2D的周期性决策特点也十分一致；并且强化学习模型对动态不确定环境的适应能力,使得强化学习方法十分适于解决RoboCup2D的高层决策问题,所以本文基于强化学习方法进行RoboCup2D问题研究。Keepaway,即小规模控球抢球训练问题,是RoboCup2D中的典型子问题。目前有人使用强化学习的方法对Keepaway的高层控球策略进行研究,优化了控球球队中持球球员的高层动作决策。然而目将强化学习应用于Keepaway问题中抢球球员的动作决策尚无文献研究。在Keepaway中,抢球任务和控球任务的任务目标相反,任务特点也有所不同,因而球队策略也存在区别。控球的特点是要求无球球员进行合理的无球跑动,同时持球球员选择合理的传球路线；抢球的特点是则要求抢球球员分工对控球球员进行压迫和逼抢。控球任务对无球球员的跑动要求相对较低,研究重点是持球球员的传球决策；而对于抢球,离球最近的抢球球员的决策比较固定(他必须上前逼抢持球球员,否则球队很难抢下球),剩下的负责拦截传球路线的抢球球员的决策则具有研究价值。本文针对Keepaway中抢球任务的上述特点,研究将强化学习应用于抢球球员高层动作决策的问题,主要做了以下工作：(1)针对传统手工策略效率低的问题,通过对Keepaway中抢球任务特点的分析,合理设计了抢球球员强化学习模型的状态空间、动作空间及回报值,并给出了抢球球员的强化学习算法,使球员的决策随着训练的进行得到优化,抢球任务完成时间缩短,抢断成功率提高。(2)针对较大规模Keepaway任务进行普通强化学习耗时太长的问题,利用策略迁移技术,通过合理设计从较小规模到较大规模Keepaway抢球任务的迁移学习方案,以及定义两个规模的任务间状态及动作空间映射,并给出抢球球员的迁移学习算法,使抢球球员在较大规模Keepaway训练中重用在较小规模Keepaway中通过普通强化学习得到的高层策略,实现迁移学习。实验表明迁移学习在训练开始时就表现出较高的决策效率,并且比从零开始的普通强化学习更快地收敛到理想的策略水平,大大缩短了训练时间。本文的研究成果表明强化学习方法在Keepaway高层抢球决策中的有效性。传统意义上,强化学习一般只应用于底层动作决策。本研究则证明了通过合理的高层回报值模型设计,强化学习也可以用来解决高层动作决策问题,体现了强化学习更广泛的应用能力。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-13
  1.1 研究背景及选题意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-11
  1.3 本论文的主要内容  11-13
第二章 ROBOCUP 2D平台  13-21
  2.1 ROBOCUP比赛  13
  2.2 ROBOCUP 2D平台架构  13-16
  2.3 ROBOCUP 2D问题模型  16-17
  2.4 ROBOCUP 2D问题特点  17-18
  2.5 ROBOCUP 2D子问题  18-20
  2.6 本章小结  20-21
第三章强化学习  21-34
  3.1 强化学习概述  21-22
  3.2 强化学习问题  22-24
  3.3 MDP模型求解强化学习问题  24-27
  3.4 强化学习算法  27-33
  3.5 本章小结  33-34
第四章高层抢球策略的强化学习  34-43
  4.1 问题描述  34
  4.2 KEEPAWAY的高层动作和总体策略  34-36
  4.3 KEEPAWAY中高层抢球策略的强化学习  36-39
  4.4 实验分析  39-42
  4.5 本章小结  42-43
第五章高层抢球策略的任务间迁移学习  43-51
  5.1 问题描述  43
  5.2 迁移学习和策略重用  43-46
  5.3 KEEPAWAY中高层抢球策略的任务间迁移学习  46-48
  5.4 实验分析  48-50
  5.5 本章小结  50-51
第六章总结和展望  51-53
  6.1 全文工作总结  51-52
  6.2 未来展望  52-53
参考文献  53-57
致谢  57-58
攻读硕士学位期间的学术论文、科研项目与相关奖项  58

基于强化学习的RoboCup 2D高层抢球策略研究

内容摘要

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