基于Qlearning强化学习的2DoF机械臂运动控制系统matlab仿真

简介: 本项目基于Q-learning强化学习算法,实现对二自由度机械臂的运动控制仿真。通过MATLAB 2022a平台,验证了算法在状态、动作与奖励机制下的学习效果,展示了机械臂自主学习达到目标位置的能力。内容涵盖理论模型、算法原理与核心代码实现。

1.算法仿真效果
matlab2022a仿真结果如下(完整代码运行后无水印):

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4.jpeg

仿真操作步骤可参考程序配套的操作视频。

2.算法涉及理论知识概要
二自由度(2DoF)机械臂运动控制是机器人领域的重要研究内容。基于Q-learning强化学习的 2DoF机械臂运动控制系统旨在让机械臂通过与环境交互,自主学习最优的运动策略以完成特定任务,如到达目标位置。Q-learning 是一种无模型的强化学习算法,它通过不断更新Q值(动作价值)来寻找最优策略。

  强化学习系统包含智能体(Agent)、环境(Environment)。智能体在环境中执行动作,环境会返回下一个状态和即时奖励。Q - learning 的目标是学习一个最优的动作价值函数,表示在状态下执行动作的期望累积奖励。

2.1 2DoF机械臂运动学模型

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2.2 Q-learning强化学习算法原理
强化学习是一种机器学习范式,主要涉及智能体(Agent)、环境(Environment)、状态(State)、动作(Action)和奖励(Reward)等概念。智能体在环境中进行交互,根据当前状态选择一个动作并执行,环境会根据智能体的动作反馈一个新的状态和一个奖励信号。智能体的目标是通过不断地与环境交互,学习到一个最优策略,使得长期累积奖励最大化。

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   在训练过程中,记录每个回合的累积奖励,得到学习曲线。随着训练回合数的增加,累积奖励逐渐增加,说明智能体在不断学习并改进控制策略。当训练回合数足够多时,累积奖励趋于稳定,表明智能体已经学习到了较优的控制策略。

   在训练结束后,使用学习到的最优策略对机械臂进行控制,记录机械臂的关节角度轨迹。实验结果表明,机械臂能够快速、准确地跟踪目标关节角度,并且在到达目标位置后能够保持稳定。

  基于Q-learning强化学习的2DoF机械臂运动控制系统通过定义状态空间、动作空间和奖励函数,让机械臂在与环境的交互中不断学习最优的运动策略。Q-learning 算法通过更新Q值来平衡探索和利用,逐步找到使累积奖励最大的策略,从而实现机械臂的高效运动控制。

3.MATLAB核心程序

figure
plot(1:stepa:Miter, Rwdm(1:stepa:end),'-r>',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.9,0.0]);
hold on
xlabel('Epoch');
ylabel('奖励值');

figure
plot(1:stepa:Miter, Action_set(1,1:stepa:end),'-r>',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.9,0.0]);
hold on
plot(1:stepa:Miter, Action_set(2,1:stepa:end),'-mo',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.5,0.9,0.0]);
hold on
xlabel('Epoch');
ylabel('动作值');
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