Biological systems often choose actions without an explicit reward signal, a phenomenon known as intrinsic motivation. The computational principles underlying this behavior remain poorly understood. In this study, we investigate an information-theoretic approach to intrinsic motivation, based on maximizing an agent's empowerment (the mutual information between its past actions and future states). We show that this approach generalizes previous attempts to formalize intrinsic motivation, and we provide a computationally efficient algorithm for computing the necessary quantities. We test our approach on several benchmark control problems, and we explain its success in guiding intrinsically motivated behaviors by relating our information-theoretic control function to fundamental properties of the dynamical system representing the combined agent-environment system. This opens the door for designing practical artificial, intrinsically motivated controllers and for linking animal behaviors to their dynamical properties.

有效推论是一种数学框架，它起源于计算神经科学，作为大脑如何实现动作，感知和学习的理论。最近，已被证明是在不确定性下存在国家估算和控制问题的有希望的方法，以及一般的机器人和人工代理人的目标驱动行为的基础。在这里，我们审查了最先进的理论和对国家估计，控制，规划和学习的积极推断的实现;描述当前的成就，特别关注机器人。我们展示了相关实验，以适应，泛化和稳健性而言说明其潜力。此外，我们将这种方法与其他框架联系起来，并讨论其预期的利益和挑战：使用变分贝叶斯推理具有功能生物合理性的统一框架。

我们考虑在一个有限时间范围内的离散时间随机动力系统的联合设计和控制。我们将问题作为一个多步优化问题，在寻求识别系统设计和控制政策的不确定性下，共同最大化所考虑的时间范围内收集的预期奖励总和。转换函数，奖励函数和策略都是参数化的，假设与其参数有所不同。然后，我们引入了一种深度加强学习算法，将策略梯度方法与基于模型的优化技术相结合以解决这个问题。从本质上讲，我们的算法迭代地估计通过Monte-Carlo采样和自动分化的预期返回的梯度，并在环境和策略参数空间中投影梯度上升步骤。该算法称为直接环境和策略搜索（DEPS）。我们评估我们算法在三个环境中的性能，分别在三种环境中进行了一个群众弹簧阻尼系统的设计和控制，分别小型离网电力系统和无人机。此外，我们的算法是针对用于解决联合设计和控制问题的最先进的深增强学习算法的基准测试。我们表明，在所有三种环境中，DEPS至少在或更好地执行，始终如一地产生更高的迭代返回的解决方案。最后，通过我们的算法产生的解决方案也与由算法产生的解决方案相比，不共同优化环境和策略参数，突出显示在执行联合优化时可以实现更高返回的事实。

In this thesis, we consider two simple but typical control problems and apply deep reinforcement learning to them, i.e., to cool and control a particle which is subject to continuous position measurement in a one-dimensional quadratic potential or in a quartic potential. We compare the performance of reinforcement learning control and conventional control strategies on the two problems, and show that the reinforcement learning achieves a performance comparable to the optimal control for the quadratic case, and outperforms conventional control strategies for the quartic case for which the optimal control strategy is unknown. To our knowledge, this is the first time deep reinforcement learning is applied to quantum control problems in continuous real space. Our research demonstrates that deep reinforcement learning can be used to control a stochastic quantum system in real space effectively as a measurement-feedback closed-loop controller, and our research also shows the ability of AI to discover new control strategies and properties of the quantum systems that are not well understood, and we can gain insights into these problems by learning from the AI, which opens up a new regime for scientific research.

With the development of experimental quantum technology, quantum control has attracted increasing attention due to the realization of controllable artificial quantum systems. However, because quantum-mechanical systems are often too difficult to analytically deal with, heuristic strategies and numerical algorithms which search for proper control protocols are adopted, and, deep learning, especially deep reinforcement learning (RL), is a promising generic candidate solution for the control problems. Although there have been a few successful applications of deep RL to quantum control problems, most of the existing RL algorithms suffer from instabilities and unsatisfactory reproducibility, and require a large amount of fine-tuning and a large computational budget, both of which limit their applicability. To resolve the issue of instabilities, in this dissertation, we investigate the non-convergence issue of Q-learning. Then, we investigate the weakness of existing convergent approaches that have been proposed, and we develop a new convergent Q-learning algorithm, which we call the convergent deep Q network (C-DQN) algorithm, as an alternative to the conventional deep Q network (DQN) algorithm. We prove the convergence of C-DQN and apply it to the Atari 2600 benchmark. We show that when DQN fail, C-DQN still learns successfully. Then, we apply the algorithm to the measurement-feedback cooling problems of a quantum quartic oscillator and a trapped quantum rigid body. We establish the physical models and analyse their properties, and we show that although both C-DQN and DQN can learn to cool the systems, C-DQN tends to behave more stably, and when DQN suffers from instabilities, C-DQN can achieve a better performance. As the performance of DQN can have a large variance and lack consistency, C-DQN can be a better choice for researches on complicated control problems.

在本章中，我们确定了基本的几何结构，这些几何结构是采样，优化，推理和自适应决策问题的基础。基于此识别，我们得出了利用这些几何结构来有效解决这些问题的算法。我们表明，在这些领域中自然出现了广泛的几何理论，范围从测量过程，信息差异，泊松几何和几何整合。具体而言，我们解释了（i）如何利用汉密尔顿系统的符合性几何形状，使我们能够构建（加速）采样和优化方法，（ii）希尔伯特亚空间和Stein操作员的理论提供了一种通用方法来获得可靠的估计器，（iii）（iii）（iii）保留决策的信息几何形状会产生执行主动推理的自适应剂。在整个过程中，我们强调了这些领域之间的丰富联系。例如，推论借鉴了抽样和优化，并且自适应决策通过推断其反事实后果来评估决策。我们的博览会提供了基本思想的概念概述，而不是技术讨论，可以在本文中的参考文献中找到。

从意外的外部扰动中恢复的能力是双模型运动的基本机动技能。有效的答复包括不仅可以恢复平衡并保持稳定性的能力，而且在平衡恢复物质不可行时，也可以保证安全的方式。对于与双式运动有关的机器人，例如人形机器人和辅助机器人设备，可帮助人类行走，设计能够提供这种稳定性和安全性的控制器可以防止机器人损坏或防止伤害相关的医疗费用。这是一个具有挑战性的任务，因为它涉及用触点产生高维，非线性和致动系统的高动态运动。尽管使用基于模型和优化方法的前进方面，但诸如广泛领域知识的要求，诸如较大的计算时间和有限的动态变化的鲁棒性仍然会使这个打开问题。在本文中，为了解决这些问题，我们开发基于学习的算法，能够为两种不同的机器人合成推送恢复控制政策：人形机器人和有助于双模型运动的辅助机器人设备。我们的工作可以分为两个密切相关的指示：1）学习人形机器人的安全下降和预防策略，2）使用机器人辅助装置学习人类的预防策略。为实现这一目标，我们介绍了一套深度加强学习（DRL）算法，以学习使用这些机器人时提高安全性的控制策略。

连续控制的强化学习（RL）通常采用其支持涵盖整个动作空间的分布。在这项工作中，我们调查了培训的代理经常更喜欢在该空间的界限中普遍采取行动的俗称已知的现象。我们在最佳控制中汲取理论联系，以发出Bang-Bang行为的出现，并在各种最近的RL算法中提供广泛的实证评估。我们通过伯努利分布替换正常高斯，该分布仅考虑沿着每个动作维度的极端 - Bang-Bang控制器。令人惊讶的是，这在几种连续控制基准测试中实现了最先进的性能 - 与机器人硬件相比，能量和维护成本影响控制器选择。由于勘探，学习和最终解决方案纠缠在RL中，我们提供了额外的模仿学习实验，以减少探索对我们分析的影响。最后，我们表明我们的观察结果概括了旨在模拟现实世界挑战和评估因素来减轻Bang-Bang解决方案的因素的环境。我们的调查结果强调了对基准测试连续控制算法的挑战，特别是在潜在的现实世界应用中。

增强学习（RL）研究领域非常活跃，并具有重要的新贡献；特别是考虑到深RL（DRL）的新兴领域。但是，仍然需要解决许多科学和技术挑战，其中我们可以提及抽象行动的能力或在稀疏回报环境中探索环境的难以通过内在动机（IM）来解决的。我们建议通过基于信息理论的新分类法调查这些研究工作：我们在计算上重新审视了惊喜，新颖性和技能学习的概念。这使我们能够确定方法的优势和缺点，并展示当前的研究前景。我们的分析表明，新颖性和惊喜可以帮助建立可转移技能的层次结构，从而进一步抽象环境并使勘探过程更加健壮。

Learning-enabled control systems have demonstrated impressive empirical performance on challenging control problems in robotics, but this performance comes at the cost of reduced transparency and lack of guarantees on the safety or stability of the learned controllers. In recent years, new techniques have emerged to provide these guarantees by learning certificates alongside control policies -- these certificates provide concise, data-driven proofs that guarantee the safety and stability of the learned control system. These methods not only allow the user to verify the safety of a learned controller but also provide supervision during training, allowing safety and stability requirements to influence the training process itself. In this paper, we provide a comprehensive survey of this rapidly developing field of certificate learning. We hope that this paper will serve as an accessible introduction to the theory and practice of certificate learning, both to those who wish to apply these tools to practical robotics problems and to those who wish to dive more deeply into the theory of learning for control.

具有很多玩家的非合作和合作游戏具有许多应用程序，但是当玩家数量增加时，通常仍然很棘手。由Lasry和Lions以及Huang，Caines和Malham \'E引入的，平均野外运动会（MFGS）依靠平均场外近似值，以使玩家数量可以成长为无穷大。解决这些游戏的传统方法通常依赖于以完全了解模型的了解来求解部分或随机微分方程。最近，增强学习（RL）似乎有望解决复杂问题。通过组合MFGS和RL，我们希望在人口规模和环境复杂性方面能够大规模解决游戏。在这项调查中，我们回顾了有关学习MFG中NASH均衡的最新文献。我们首先确定最常见的设置（静态，固定和进化）。然后，我们为经典迭代方法（基于最佳响应计算或策略评估）提供了一个通用框架，以确切的方式解决MFG。在这些算法和与马尔可夫决策过程的联系的基础上，我们解释了如何使用RL以无模型的方式学习MFG解决方案。最后，我们在基准问题上介绍了数值插图，并以某些视角得出结论。

学习涉及时变和不断发展的系统动态的控制政策通常对主流强化学习算法构成了巨大的挑战。在大多数标准方法中，通常认为动作是一组刚性的，固定的选择，这些选择以预定义的方式顺序应用于状态空间。因此，在不诉诸于重大学习过程的情况下，学识渊博的政策缺乏适应动作集和动作的“行为”结果的能力。此外，标准行动表示和动作引起的状态过渡机制固有地限制了如何将强化学习应用于复杂的现实世界应用中，这主要是由于所得大的状态空间的棘手性以及缺乏概括的学术知识对国家空间未知部分的政策。本文提出了一个贝叶斯味的广义增强学习框架，首先建立参数动作模型的概念，以更好地应对不确定性和流体动作行为，然后将增强领域的概念作为物理启发的结构引入通过“极化体验颗粒颗粒建立） “维持在学习代理的工作记忆中。这些粒子有效地编码了以自组织方式随时间演变的动态学习体验。在强化领域之上，我们将进一步概括策略学习过程，以通过将过去的记忆视为具有隐式图结构来结合高级决策概念，在该结构中，过去的内存实例（或粒子）与决策之间的相似性相互联系。定义，因此，可以应用“关联记忆”原则来增强学习代理的世界模型。

大型人口系统的分析和控制对研究和工程的各个领域引起了极大的兴趣，从机器人群的流行病学到经济学和金融。一种越来越流行和有效的方法来实现多代理系统中的顺序决策，这是通过多机构增强学习，因为它允许对高度复杂的系统进行自动和无模型的分析。但是，可伸缩性的关键问题使控制和增强学习算法的设计变得复杂，尤其是在具有大量代理的系统中。尽管强化学习在许多情况下都发现了经验成功，但许多代理商的问题很快就变得棘手了，需要特别考虑。在这项调查中，我们将阐明当前的方法，以通过多代理强化学习以及通过诸如平均场游戏，集体智能或复杂的网络理论等研究领域进行仔细理解和分析大型人口系统。这些经典独立的主题领域提供了多种理解或建模大型人口系统的方法，这可能非常适合将来的可拖动MARL算法制定。最后，我们调查了大规模控制的潜在应用领域，并确定了实用系统中学习算法的富有成果的未来应用。我们希望我们的调查可以为理论和应用科学的初级和高级研究人员提供洞察力和未来的方向。

在本文中，我们研究了加强学习问题的安全政策的学习。这是，我们的目标是控制我们不知道过渡概率的马尔可夫决策过程（MDP），但我们通过经验访问样品轨迹。我们将安全性定义为在操作时间内具有高概率的期望安全集中的代理。因此，我们考虑受限制的MDP，其中限制是概率。由于没有直接的方式来优化关于加强学习框架中的概率约束的政策，因此我们提出了对问题的遍历松弛。拟议的放松的优点是三倍。 （i）安全保障在集界任务的情况下保持，并且它们保持在一个给定的时间范围内，以继续进行任务。 （ii）如果政策的参数化足够丰富，则约束优化问题尽管其非凸起具有任意小的二元间隙。 （iii）可以使用标准策略梯度结果和随机近似工具容易地计算与安全学习问题相关的拉格朗日的梯度。利用这些优势，我们建立了原始双算法能够找到安全和最佳的政策。我们在连续域中的导航任务中测试所提出的方法。数值结果表明，我们的算法能够将策略动态调整到环境和所需的安全水平。

我们介绍了一种改进政策改进的方法，该方法在基于价值的强化学习（RL）的贪婪方法与基于模型的RL的典型计划方法之间进行了插值。新方法建立在几何视野模型（GHM，也称为伽马模型）的概念上，该模型对给定策略的折现状态验证分布进行了建模。我们表明，我们可以通过仔细的基本策略GHM的仔细组成，而无需任何其他学习，可以评估任何非马尔科夫策略，以固定的概率在一组基本马尔可夫策略之间切换。然后，我们可以将广义政策改进（GPI）应用于此类非马尔科夫政策的收集，以获得新的马尔可夫政策，通常将其表现优于其先驱。我们对这种方法提供了彻底的理论分析，开发了转移和标准RL的应用，并在经验上证明了其对标准GPI的有效性，对充满挑战的深度RL连续控制任务。我们还提供了GHM培训方法的分析，证明了关于先前提出的方法的新型收敛结果，并显示了如何在深度RL设置中稳定训练这些模型。

传统上，欧几里德几何形状被科学家视为先验和目标。然而，当我们采取代理的位置时，选择最佳路线的问题也应考虑代理人，其实施例，特别是其认知努力的能力。在本文中，我们通过将信息处理成本与适当的空间距离合并信息处理成本，在世界内的状态之间考虑几何形状。这引起了一种几何形状，越来越不同于给定世界的原始几何形状，因为信息成本变得越来越重要。我们通过将其投射到2和三维空间来显示此\ Texit {“认知几何”}，显示出不同的失真，反映了认知和信息节约策略以及枢转状态。通过其他信息成本引起的传统成本几何形状与那些之间的类比邀请了作为对\ Texit {InfodeSics}概念的最便宜路线的传统Geodesics概念的概括。至关重要的是，InfodeSics的概念近似于通常的几何特性，从开始到沿着GeodeSic的目标，而不仅仅是目标，而且所有中间点都以最佳成本从一开始就被访问。

策略搜索和模型预测控制〜（MPC）是机器人控制的两个不同范式：策略搜索具有使用经验丰富的数据自动学习复杂策略的强度，而MPC可以使用模型和轨迹优化提供最佳控制性能。开放的研究问题是如何利用并结合两种方法的优势。在这项工作中，我们通过使用策略搜索自动选择MPC的高级决策变量提供答案，这导致了一种新的策略搜索 - 用于模型预测控制框架。具体地，我们将MPC作为参数化控制器配制，其中难以优化的决策变量表示为高级策略。这种制定允许以自我监督的方式优化政策。我们通过专注于敏捷无人机飞行中的具有挑战性的问题来验证这一框架：通过快速的盖茨飞行四轮车。实验表明，我们的控制器在模拟和现实世界中实现了鲁棒和实时的控制性能。拟议的框架提供了合并学习和控制的新视角。

过去半年来，从控制和强化学习社区的真实机器人部署的安全学习方法的贡献数量急剧上升。本文提供了一种简洁的但整体审查，对利用机器学习实现的最新进展，以实现在不确定因素下的安全决策，重点是统一控制理论和加固学习研究中使用的语言和框架。我们的评论包括：基于学习的控制方法，通过学习不确定的动态，加强学习方法，鼓励安全或坚固性的加固学习方法，以及可以正式证明学习控制政策安全的方法。随着基于数据和学习的机器人控制方法继续获得牵引力，研究人员必须了解何时以及如何最好地利用它们在安全势在必行的现实情景中，例如在靠近人类的情况下操作时。我们突出了一些开放的挑战，即将在未来几年推动机器人学习领域，并强调需要逼真的物理基准的基准，以便于控制和加固学习方法之间的公平比较。

如果机器人曾经实现与动物所展示的机器人相当的自动运动，则它们必须获得在损害，故障或环境条件下快速恢复运动行为的能力，从而损害了其有效移动的能力。我们提出了一种方法，该方法使我们的机器人和模拟机器人能够在几十次尝试中恢复自由运动行为的高度。我们的方法采用行为规范，以等级的差异约束来表达所需的行为。我们展示了如何通过编码模板来考虑这些约束，从而产生了将先前优化的行为推广到新情况下以快速学习的形式概括的秘诀。我们进一步说明，在数据驱动的上下文中，足够的限制通常很容易确定。作为例证，我们证明了我们在物理7 DOF六型六杆元机器人上的恢复方法，以及对6 DOF 2D运动机制的模拟。在这两种情况下，我们恢复了与先前优化的运动在功能上无法区分的行为。

经常性神经网络（RNNS）是强大的动态模型，广泛用于机器学习（ML）和神经科学。之前的理论作品集中在具有添加剂相互作用的RNN上。然而，门控 - 即乘法 - 相互作用在真神经元中普遍存在，并且也是ML中最佳性能RNN的中心特征。在这里，我们表明Gating提供灵活地控制集体动态的两个突出特征：i）时间尺寸和ii）维度。栅极控制时间尺度导致新颖的稳定状态，网络用作灵活积分器。与以前的方法不同，Gating允许这种重要功能而没有参数微调或特殊对称。门还提供一种灵活的上下文相关机制来重置存储器跟踪，从而补充存储器功能。调制维度的栅极可以诱导新颖的不连续的混沌转变，其中输入将稳定的系统推向强的混沌活动，与通常稳定的输入效果相比。在这种转变之上，与添加剂RNN不同，关键点（拓扑复杂性）的增殖与混沌动力学的外观解耦（动态复杂性）。丰富的动态总结在相图中，从而为ML从业者提供了一个原理参数初始化选择的地图。