如何讓無人機靈活穿越滿是障礙的房間？

如今，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)在語音識別、計算機視覺等多個應(yīng)用領(lǐng)域取得了重大突破。然而，要說到它在機器人領(lǐng)域的發(fā)展，那就要另當(dāng)別論了——深度學(xué)習(xí)在機器人領(lǐng)域，不僅發(fā)展速度慢，甚至還遭到很多人的質(zhì)疑。為什么呢？

究其原因，最重要的一點在于所需數(shù)據(jù)難以共享——將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到機器人領(lǐng)域，涉及到許多具體物理系統(tǒng)的表達(dá)。這意味著，所需數(shù)據(jù)往往是機器人領(lǐng)域的特定數(shù)據(jù)集。因此，研究人員在收集數(shù)據(jù)時，就要耗費較多時間；而在處理和環(huán)境相交互的主動系統(tǒng)時，則會更加費時。

近日，來自魯汶大學(xué)的兩位研究人員Klaas Kelchtermans和Tinne Tuytelaars就為解決這一問題展開了研究，并將研究成果撰寫成論文《How hard is it to cross the room ? - Training (Recurrent) Neural Networks to steer a UAV》，發(fā)布在了arXiv上。雷鋒網(wǎng)對論文進(jìn)行了部分編譯。

論文地址：https://arxiv.org/abs/1702.07600

摘要

我們研究了在無人機導(dǎo)航控制中采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）代替前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN），是否能增加其活動的靈活性。實驗條件是：無人機在執(zhí)行高級導(dǎo)航任務(wù)時，需要用前視攝像頭收集信息。

為了讓無人機通過模仿學(xué)習(xí)學(xué)會執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)，我們建立了一個用來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、可應(yīng)用于空中和陸地兩種交通工具的通用框架。實驗中，我們把框架應(yīng)用于在模擬環(huán)境中飛行的無人機中，讓它學(xué)習(xí)如何穿越有多障礙物的房間。

到目前為止，無人機控制的訓(xùn)練過程中通常只使用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為了處理更多高難度的任務(wù)，我們提出，引入循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且訓(xùn)練一個長短期存儲器（LSTM）來控制無人機。

通過視覺信息進(jìn)行控制屬于序列預(yù)測問題，并且需要高相關(guān)性的輸入數(shù)據(jù)。這一高相關(guān)性就使得訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，尤其是循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，變得不容易進(jìn)行。

為了克服這一問題，我們在訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)時采用了WW-TBPTT法（window-wise truncated backpropagation through time）。另外，考慮到端對端訓(xùn)練所需的數(shù)據(jù)通常無法獲得，我們將“只對全連接（FC）進(jìn)行再訓(xùn)練的控制層”和“只對長短期存儲器控制層（所需網(wǎng)絡(luò)為端到端的訓(xùn)練）進(jìn)行再訓(xùn)練的控制層”的表現(xiàn)進(jìn)行了對比。

最后，通過讓無人機穿越有障礙物房間這一相對簡單的實驗，我們已經(jīng)能看出訓(xùn)練神經(jīng)控制網(wǎng)絡(luò)所具有的重要指導(dǎo)意義和其良好的實踐效果?？梢暬牟町愋杂兄诮忉専o人機學(xué)習(xí)到的行為。

雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))注：此圖為論文中的圖12——平均模仿?lián)p失對比圖

實驗變量：已知和未知的房間、無人機用不同構(gòu)架的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和不同訓(xùn)練方法進(jìn)行控制、是否有攝像頭；

S-LSTM 用S-TBPTT訓(xùn)練、WW-LSTM用WW-TBPTT。

探討和結(jié)論

此研究中，我們測試了在導(dǎo)航控制中，存儲器（圖12）能如何幫助深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更高效地運作。

結(jié)果表明，用WW-TBPTT去除訓(xùn)練數(shù)據(jù)的相關(guān)性，在訓(xùn)練如長短期存儲器這樣的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，極其有幫助。盡管使用WW-TBPTT 法會使實驗方差增大，計算存儲值的過程也使訓(xùn)練變慢（如圖12最右邊一組條形圖），但它能通過時間長度有效避免滑動截斷反向傳播的順序偏差（the sequential bias of sliding truncated back propagation）。

另外，實驗結(jié)果表明，預(yù)先訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)也非常有意義。在導(dǎo)航控制試驗中，僅僅重訓(xùn)練最后一層卷積網(wǎng)絡(luò)全連接層（如Inception），比訓(xùn)練端對端訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)更好。訓(xùn)練端對端網(wǎng)絡(luò)不僅需要更多數(shù)據(jù)，而且時間也更長。也正是上述這個原因，機器人（雷鋒網(wǎng)注：這里指無人機）在實際應(yīng)用中才不夠靈活。

我們將公開“穿過房間一”和“穿過房間二”兩次實驗的數(shù)據(jù)集（它們代表了實驗所需數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度），讓其他研究人員能以此為參考標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)導(dǎo)航控制。

最后，我們還想強調(diào)，想要打開深度學(xué)習(xí)這個黑箱子，差異化評價法和可視化是非常有必要的。

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