Deep learning has been widely used within learning algorithms for robotics. One disadvantage of deep networks is that these networks are black-box representations. Therefore, the learned approximations ignore the existing knowledge of physics or robotics. Especially for learning dynamics models, these black-box models are not desirable as the underlying principles are well understood and the standard deep networks can learn dynamics that violate these principles. To learn dynamics models with deep networks that guarantee physically plausible dynamics, we introduce physics-inspired deep networks that combine first principles from physics with deep learning. We incorporate Lagrangian mechanics within the model learning such that all approximated models adhere to the laws of physics and conserve energy. Deep Lagrangian Networks (DeLaN) parametrize the system energy using two networks. The parameters are obtained by minimizing the squared residual of the Euler-Lagrange differential equation. Therefore, the resulting model does not require specific knowledge of the individual system, is interpretable, and can be used as a forward, inverse, and energy model. Previously these properties were only obtained when using system identification techniques that require knowledge of the kinematic structure. We apply DeLaN to learning dynamics models and apply these models to control simulated and physical rigid body systems. The results show that the proposed approach obtains dynamics models that can be applied to physical systems for real-time control. Compared to standard deep networks, the physics-inspired models learn better models and capture the underlying structure of the dynamics.


翻译:深度学习在机器人学习算法中得到了广泛应用。深度网络的一个缺点是这些网络是黑箱表示。因此,学习到的近似模型忽略了物理学或机器人学已有的知识。特别是对于学习动力学模型,这些黑箱模型并不理想,因为其底层原理已被充分理解,而标准深度网络可能学习到违反这些原理的动力学。为了利用深度网络学习保证物理上合理动力学特性的动力学模型,我们引入了受物理启发的深度网络,该网络将物理学的基本原理与深度学习相结合。我们在模型学习中融入了拉格朗日力学,使得所有近似模型都遵循物理定律并守恒能量。深度拉格朗日网络(DeLaN)利用两个网络对系统能量进行参数化。通过最小化欧拉-拉格朗日微分方程的平方残差来获得参数。因此,所得模型不需要特定系统的具体知识,具有可解释性,并且可以用作正向模型、逆向模型和能量模型。以往这些特性只能通过需要运动学结构知识的系统辨识技术获得。我们将DeLaN应用于学习动力学模型,并将这些模型用于控制仿真和物理刚体系统。结果表明,所提出的方法能够获得可应用于物理系统进行实时控制的动力学模型。与标准深度网络相比,受物理启发的模型学习到了更好的模型,并捕捉到了动力学的底层结构。

0
下载
关闭预览

相关内容

专知会员服务
49+阅读 · 2021年4月24日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
【论文】图上的表示学习综述
机器学习研究会
15+阅读 · 2017年9月24日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月9日
Arxiv
15+阅读 · 2021年8月5日
Arxiv
32+阅读 · 2021年3月29日
Arxiv
18+阅读 · 2019年1月16日
Arxiv
53+阅读 · 2018年12月11日
Adversarial Transfer Learning
Arxiv
12+阅读 · 2018年12月6日
VIP会员
最新内容
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
7+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22日
美国从乌克兰无人机战争中学习经验
专知会员服务
7+阅读 · 6月21日
ICML 2026 | 面向视觉语言模型的语义鲁棒性认证
专知会员服务
5+阅读 · 6月21日
相关VIP内容
专知会员服务
49+阅读 · 2021年4月24日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
相关资讯
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
【论文】图上的表示学习综述
机器学习研究会
15+阅读 · 2017年9月24日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
相关论文
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月9日
Arxiv
15+阅读 · 2021年8月5日
Arxiv
32+阅读 · 2021年3月29日
Arxiv
18+阅读 · 2019年1月16日
Arxiv
53+阅读 · 2018年12月11日
Adversarial Transfer Learning
Arxiv
12+阅读 · 2018年12月6日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员