Apprentissage de représentations spatiales pour les politiques mono-tâches de navigation et multi-tâches

Learning spatial representations for single-task navigation and multi-task policies

• Auteur / Autrice : Pierre Marza
• Direction : Olivier Simonin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 25/11/2024
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale InfoMaths (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'InfoRmatique en Images et Systèmes d'information (Ecully, Rhône ; 2003-....) - Laboratoire d'InfoRmatique en Image et Systèmes d'information / LIRIS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : imagine - Extraction de Caractéristiques et Identification - SyCoSMA - Systèmes Cognitifs et Systèmes Multi-Agents - CHROMA - Robots coopératifs et adaptés à la présence humaine en environnements
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Thome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Simonin, Nicolas Thome, Karteek Alahari, Ivan Laptev, Christian Wolf, Georgia Chalvatzaki, Laetitia Matignon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karteek Alahari, Ivan Laptev

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perception spatiale

Apprentissage par renforcement (intelligence artificielle)

Vision par ordinateur

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Informatique

Réseau neuronal artificiel

Apprentissage Profond

Vision par ordinateur

Apprentissage par Renforcement

Représentation spatiale

Navigation visuelle

Agent multi-Tâches

Navigation sémantique

Adaptation à l'environnement

Computer engineering

Artificial neural network

Deep Learning

Computer vision

Reinforcement Learning

Spatial representation

Multi-Task agent

Visual navigation

Semantic navigation

Environment adaptation

Résumé

Agir de manière autonome dans notre monde 3D requiert un large éventail de compétences, parmi lesquelles se trouvent la perception du milieu environnant, sa représentation précise et suffisamment efficace pour garder une trace du passé, la prise de décisions et l’action en vue d’atteindre des objectifs. Les animaux, par exemple les humains, se distinguent par leur robustesse lorsqu’il s’agit d’agir dans le monde. En particulier, ils savent s’adapter efficacement à de nouveaux environnements, mais sont aussi capables de maîtriser rapidement de nombreuses tâches à partir de quelques exemples. Ce manuscrit étudiera comment les réseaux neuronaux artificiels peuvent être entrainés pour acquérir un sous-ensemble de ces capacités. Nous nous concentrerons tout d’abord sur l’entrainement d’agents neuronaux à la cartographie sémantique, à la fois à partir d’un signal de supervision augmenté et avec des représentations neuronales de scènes. Les agents neuronaux sont souvent entrainés par apprentissage par renforcement (RL) à partir d’un signal de récompense peu dense. Guider l’apprentissage des capacités de cartographie d’une scène en ajoutant au signal de supervision des tâches auxiliaires favorisant le raisonnement spatial aidera à naviguer plus efficacement. Au lieu de travailler sur le signal d’entrainement des agents neuronaux, nous verrons également comment l’incorporation de représentations neuronales spécifiques de la sémantique et de la géométrie à l’architecture de l’agent peut contribuer à améliorer les performances de navigation sémantique. Ensuite, nous étudierons la meilleure façon d’explorer un environnement 3D afin de construire des représentations neuronales de l’espace qui soient aussi satisfaisantes que possible sur la base de métriques pensées pour la robotique que nous proposerons. Enfin, nous passerons d’agents de navigation à des agents multi-tâches et nous verrons à quel point il est important d’adapter les caractéristiques visuelles extraites des observations de capteurs à chaque tâche à accomplir pour réaliser une variété de tâches, mais aussi pour s’adapter à de nouvelles tâches inconnues à partir de quelques démonstrations. Ce manuscrit abordera donc différentes questions : Comment représenter une scène 3D et garder une trace de l’expérience passée dans un environnement ? – Comment s’adapter de manière robuste à de nouveaux environnements, scénarios et potentiellement de nouvelles tâches ? – Comment entrainer des agents à des tâches séquentielles à horizon long ? – Comment maîtriser conjointement toutes les sous-compétences requises ? – Quelle est l’importance de la perception en robotique ?

Autonomously behaving in the 3D world requires a large set of skills, among which are perceiving the surrounding environment, representing it precisely and efficiently enough to keep track of the past, making decisions and acting to achieve specified goals. Animals, for instance humans, stand out by their robustness when it comes to acting in the world. In particular, they can efficiently generalize to new environments, but are also able to rapidly master many tasks of interest from a few examples. This manuscript will study how artificial neural networks can be trained to acquire a subset of these abilities. We will first focus on training neural agents to perform semantic mapping, both from augmented supervision signal and with proposed neural-based scene representations. Neural agents are often trained with Reinforcement Learning (RL) from a sparse reward signal. Guiding the learning of scene mapping abilities by augmenting the vanilla RL supervision signal with auxiliary spatial reasoning tasks will help navigating efficiently. Instead of modifying the training signal of neural agents, we will also see how incorporating specific neural-based representations of semantics and geometry within the architecture of the agent can help improve performance in goal-driven navigation. Then, we will study how to best explore a 3D environment in order to build neural representations of space that are as satisfying as possible based on robotic-oriented metrics we will propose. Finally, we will move from navigation-only to multi-task agents, and see how important it is to tailor visual features from sensor observations to the task at hand to perform a wide variety of tasks, but also to adapt to new unknown tasks from a few demonstrations. This manuscript will thus address different important questions such as: How to represent a 3D scene and keep track of previous experience in an environment? – How to robustly adapt to new environments, scenarios, and potentially new tasks? – How to train agents on long-horizon sequential tasks? – How to jointly master all required sub-skills? – What is the importance of perception in robotics?