Une formulation supervisée de l'apprentissage par renforcement avec convergence superlinéaire

A supervised formulation of Reinforcement Learning - with SuperLinear Convergence

• Auteur / Autrice : Amit Parag
• Direction : Nicolas Mansard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique et Informatique
• Date : Soutenance le 20/04/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Systèmes (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Vincent Padois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Stasse, Georgia Chalvatzaki, Olivier Sigaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Padois, Manuel Lopes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage supervisé (intelligence artificielle)

Robots

Apprentissage par renforcement (intelligence artificielle)

Commande, Théorie de la

Mots clés libres

Contrôle optimal

Apprentissage par renforcement

Robots marcheurs

Apprentissage supervisé

Optimal control

Reinforcement learning

Legged Robots

Supervised learning

Résumé

Deep reinforcement learning uses simulators as abstract oracles to interact with the environment. In continuous domains of multi-body robotic systems, differentiable simulators have recently been proposed, still, they are yet underutilized, even though we have the knowledge to make them produce richer information. This problem when juxtaposed with the usually high computational cost of exploration-exploitation in high dimensional state space can quickly render reinforcement learning algorithms less effective. In this thesis, we propose to combine learning and simulators such that the quality of both increases while the need to exhaustively search the state space decreases. We propose to learn value function and state, control trajectories through locally optimal runs of a trajectory optimizer. The learned value function, along with estimates of optimal state and control policies, is subsequently used in the trajectory optimizer : the value function estimate serves as a proxy for shortening the preview horizon, while the state and control approximations serve as a guide in policy search for our trajectory optimizer. The proposed approach demonstrates a better symbiotic relation, with superlinear convergence, between learning and simulators, that we need for end-to-end learning of complex polyarticulated systems.

L'apprentissage profond par renforcement utilise des simulateurs comme oracles abstraits pour interagir avec l'environnement. Dans les domaines continus des systèmes robotiques multi-corps, des simulateurs différentiables ont récemment été proposés mais sont encore sous-utilisés, même si nous avons les connaissances nécessaires pour leur faire produire des informations plus riches. Ce problème, lorsqu'il est juxtaposé au coût de calcul élevé de l'exploration-exploitation dans un espace d'état de haute dimension, peut rapidement rendre les algorithmes d'apprentissage par renforcement impraticables. Dans cette these, nous proposons de combiner l'apprentissage et les simulateurs de sorte que la qualité des deux augmente, tandis que la nécessité d'explorer exhaustivement l'espace d'état diminue. Nous proposons d'apprendre la fonction de valeur, l'état et les trajectoires d'etat et de contrôle à travers les exécutions localement optimales de l'optimiseur de trajectoire. La fonction d'valeur apprise, ainsi qu'une estimation des politiques optimales d'état et de contrôle, est ensuite utilisée dans l'optimiseur de trajectoire ~ l'estimation de la fonction d'valeur sert de proxy pour raccourcir l'horizon de prévision, tandis que les approximations d'état et de contrôle servent de guide dans la recherche de politiques pour notre optimiseur de trajectoire. L'approche proposée démontre une meilleure relation symbiotique, avec une convergence super linéaire, entre l'apprentissage et les simulateurs, dont nous avons besoin pour l'apprentissage de bout en bout de systèmes polyarticulés complexes.