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基于强化学习的机器人底盘能量管理与路径规划优化算法

文献类型： 中文期刊

作者： 李潇宇 1 ; 张君华 1 ; 郭晓光 1 ; 伍纲 2 ;

作者机构： 1.北京信息科技大学机电工程学院

2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

关键词： 温室;路径规划;强化学习;能量管理;多目标优化

期刊名称： 农业工程学报

ISSN： 1002-6819

年卷期： 2024 年 40 卷 021 期

页码： 175-183

收录情况： EI ; 北大核心 ; CSCD

摘要： 为解决温室机器人底盘传统路径规划中因忽略地面粗糙度而导致的电池寿命缩短与利用效率低下的问题，该研究探讨了3种融合电池能量管理与路径规划的强化学习算法。首先，基于先验知识构建分级预打分奖励模型，并通过增加曼哈顿距离构建奖励函数，提高电池寿命和利用率；其次，针对传统Q-Learning(QL)算法收敛效率低、易陷入局部最优等问题，提出了自适应变步长的优化算法（adaptive multi-step q-learning,AMQL）和基于自适应改变探索率的优化算法（adaptive ε-greedy q-learning,AEQL），以提升Q-Learning算法的性能。此外，为进一步提高算法的可行性，该文将AMQL算法和AEQL算法进行融合，提出了一种自适应多步长和变ε-greedy融合算法（adaptive multi-step and ε-greedy q-learning,AMEQL），并通过仿真对比的方式，验证了AMQL和AMEQL算法相对于传统QL算法在3个不同垄道下的性能。仿真试验结果表明：AMQL相对于传统QL算法，训练平均时间降低23.74%，收敛平均迭代次数降低8.82%，路径平均拐点数降低54.29%，收敛后的平均波动次数降低14.54%;AMEQL相对于传统QL算法，训练平均时间降低34.46%，收敛平均迭代次数降低18.02%，路径平均拐点数降低63.13%，收敛后的平均波动次数减少15.62%，在400次迭代过程中，AMEQL到达最大奖励后平均每7.12次迭代波动1次，而AMQL平均每6.68次迭代波动1次。可知AMEQL训练时间最短，收敛最快，路径拐点数量最低，奖励波动最小，而AMQL次之。该算法可为机器人底盘自主路径规划提供理论参考。

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