基于神经网络和遗传算法的飞鹦鹉机器学习

Posted 2022-12-30 Violent-Ayang

这是一个html5项目的源代码，该项目使用神经网络和遗传算法在Flappy Bird视频游戏中实现机器学习算法。该程序教一只小鸟如何以最佳方式拍打，以便尽可能长时间地安全地飞过障碍物。

所有代码都是用HTML5编写的，使用Phaser框架和Synaptic Neural Network库来实现神经网络。

项目运行

在此之前需要安装http-server用于启动服务

npm install -g http-server

安装完在项目根目录启动http-server

打开8080端口

点击source

神经网络架构

为了玩游戏，每个单元（鸟）都有自己的神经网络，由接下来的 3 层组成：

1. 具有 2 个神经元的输入层，呈现鸟所看到的内容：

   1)鸟与鸟之间的水平距离最近的间隙
   2)鸟的高度差与最近的空隙
   

2. 具有 6 个神经元的隐藏层

3. 具有 1 个神经元的输出层，用于提供如下操作：

   if output > 0.5 then flap else do nothing
   

使用Synaptic神经网络库来实现整个人工神经网络，而不是从头开始创建一个新的神经网络。

机器学习的主要概念

该程序中实现的机器学习的主要概念是基于神经进化形式。它使用遗传算法等进化算法来训练人工神经网络。以下是主要步骤：

使用随机神经网络创建一个 10 个单位（鸟类）的新种群

让所有单位使用自己的神经网络同时玩游戏

对于每个单位，计算其适应度函数以衡量其质量，如下所示：

fitness = total travelled distance - distance to the closest gap

当所有单位都被杀死时，使用遗传算法运算符（选择、交叉和突变）评估当前种群到下一个种群，如下所示：

1. 对当前人口的单位进行排序，按它们的适合度排名降序排列
2. 选择前4个单位，并将其标记为当前人口的获胜者
   3.4个获胜者直接传递给下一个种群
3. 为了填充下一个种群的剩余部分，创建6个后代，如下所示:

• 1个后代由两个最佳优胜者交叉产生
• 3个后代由两个随机获胜者交叉产生
• 2个后代是两个随机获胜者的直接副本

5. 为了增加一些变异，对每个后代应用随机突变。

实现要求

由于该程序是使用Phaser框架和Synaptic Neural Network库用HTML5编写的，因此需要这些文件：

• phaser.min.js
• synaptic.min.js

gameplay.js

整个游戏逻辑在 gameplay.js 文件中实现。它由以下类组成：

App.Main，具有以下基本功能的主要例程：

• preload（） 预加载所有资产

• create（） 创建所有对象并初始化新的遗传算法对象

• update（） 运行主循环，其中使用 AI 神经网络玩 Flappy Bird 游戏，并使用遗传算法进化种群

• drawStatus（） 显示所有单位的信息

• TreeGroup Class，扩展了相位器组类以表示移动障碍。此组包含一个顶部和一个底部树精灵。

• Tree Class，扩展相位器精灵类以表示树精灵。

• Bird Class，扩展相位器精灵类以表示鸟精灵。

• Text Class、用于绘制文本的扩展相位器位图文本类。

genetic.js

遗传算法在遗传.js文件中实现，该文件由以下类组成：

GeneticAlgorithm Class，处理所有遗传算法操作的主类。它需要两个参数：max_units设置人口中的单位总数，top_units设置用于进化人口的顶级单位（入选者）数量。以下是它的基本功能：

• reset（） 以重置遗传算法参数
• createPopulation（） 以创建新人口
• 激活Brain（）激活单元的AI神经网络，并根据输入获取其输出动作
• evolvePopulation（） 通过使用遗传运算符（选择、交叉和突变）进化种群
• selection（） 从当前人口中选择最佳单位
• crossOver（） 在两个父级之间执行单点交叉
• 突变（）对后代执行随机突变