一、基础框架:MDP 与贝尔曼方程
一切 RL 都建立在马尔可夫决策过程 上:状态 S、动作 A、转移概率 P、奖励 R、折扣因子 γ。智能体的目标是最大化累积折扣回报。
由此引出两个核心概念:
-
策略 π(a|s):在状态 s 下选动作 a 的概率
-
价值函数:V(s) 或 Q(s,a),衡量"从这开始能拿多少回报"
贝尔曼方程是整条线的骨架:当前价值 = 即时奖励 + 折扣后的未来价值。所有 RL 算法本质上都在用不同方式逼近这个方程。
二、三大范式
1. 值函数方法(Value-based)
学 Q 值,策略是"选 Q 最大的动作"。
-
Q-Learning:离线策略,用 max 更新,最经典的入门算法
-
DQN :用神经网络拟合 Q,加经验回放 和目标网络稳定训练
-
变体:Double DQN(解决 Q 值高估)、Dueling DQN(拆状态价值与优势)、优先回放(按 TD 误差采样)
2. 策略梯度方法(Policy-based)
直接参数化策略 π_θ,用梯度上升最大化期望回报。
-
REINFORCE:最基础,方差大
-
Actor-Critic:Actor 学策略,Critic 学价值函数降低方差
-
A2C/A3C:同步/异步并行多个环境
3. 连续控制(导航底盘常用)
-
DDPG:确定性策略 + Actor-Critic,适合连续动作
-
TD3:双 Critic + 延迟更新,解决 DDPG 高估
-
SAC:最大熵 RL,探索性强,样本效率高,目前连续控制的主流
-
PPO:信赖域方法的简化版,稳定好调,导航 RL 最常用 baseline
三、深度强化学习(DRL)的关键工程技巧
这些决定了你能不能训出来:
-
经验回放:打破样本时序相关性
-
目标网络:软更新或硬更新,稳定 Q 目标
-
优势函数:GAE 在偏差和方差间权衡
-
奖励设计 :稀疏奖励下用势场塑形 、课程学习 、HER( hindsight experience replay)
-
探索策略:ε-greedy、熵正则、内在奖励(ICM、RND)
四、导航场景特有的重点
-
部分可观测(POMDP) :单帧图像不够,需要 RNN/Transformer 记忆
-
分层 RL:高层选子目标,低层执行,适合长程导航
-
多传感器融合:RGB + Depth + 激光的编码器设计
-
Sim-to-Real:域随机化、系统辨识
-
安全约束:控制障碍函数(CBF)保证不碰撞
五、学习路径建议
-
先跑通 Q-Learning 网格世界,理解贝尔曼更新
-
手写 DQN 跑 CartPole,理解回放和目标网络
-
用 Stable-Baselines3 跑 PPO 在 Habitat PointNav,理解端到端训练
-
再看 SAC/TD3 论文,理解连续控制
-
最后读导航 RL 论文,看它们怎么改奖励、加记忆、做分层