Sim-to-Real: Model Uncertainty와 Action Delay
대학원 · 연구 적용 실습
시뮬레이터에서 좋은 정책도 물리 계수와 지연이 달라지면 실패할 수 있습니다. 실제 장치로 옮기기 전에 이 차이를 수치로 확인합니다.
실습 전에
01 시뮬레이터에서 좋은 정책이 실제로도 좋을까요?
설명
물리 계수·센서 잡음·Action 지연·Normalization 차이 때문에 Simulator 정책이 실제 장치에서 달라질 수 있습니다. 한 번에 한 요인을 바꾸어 취약점을 찾습니다.
02 식별과 Randomization은 어떻게 다를까요?
설명
System identification은 관측으로 모델을 추정하고, Domain randomization은 가능한 변화 범위에서 학습합니다. 평가 범위는 학습 범위와 구분해 설계합니다.
실행 조건
- 필요 패키지: gymnasium·stable-baselines3·PyTorch.
- SB3 정책:
MlpPolicy. - Gymnasium
step: 5개 반환값. - 공개 환경 시각화:
gymnasium[classic-control] 추가.
필요한 패키지가 없으면 Colab·Jupyter 코드 셀에서 %pip install control==0.10.2 gymnasium==1.3.0 stable-baselines3==2.9.2를 실행하세요.
적용 사례
구동계의 추종 성능과 입력 비용
각 실험에서 일정한 Reference Angular Velocity를 추종하는 합성 1차 Motor 모델입니다. 학습은 목표 1, 평가는 0.5·1·1.5에서 구분합니다.
- Observation·State
- Angular Velocity , 목표 .
- 행동
- 연속 , 실제 입력 .
- Reward·Constraint
- . 에서 종료, 100 step에서 시간 제한.
- 비교 기준
- 동일 입력 제한의 P 제어.
- 확인할 지표
- 추종 RMSE, 평균 u², 안전 종료 수. 목표별 분리 평가.
공조·열 공정 제어
온도 편차와 에너지 사용을 함께 줄이는 제어 문제의 설계 사례입니다.
- Observation·State
- 온도·목표·외기 조건·최근 입력. 지연이 크면 이력 포함.
- 행동
- 제한된 연속 가열·냉각 출력.
- Reward·Constraint
- 온도 오차와 에너지 비용. 안전 한계는 보상과 별도 지표로도 기록.
- 비교 기준
- 온도 조절기, PI 제어.
- 확인할 지표
- 오차, 에너지, 한계 위반 시간. 외기 조건별 분리 평가.
1. 명목 모델에서의 기준 제어
시작 조건
Motor 기준 모델과 P 제어입니다. Reference Angular Velocity 0.5·1·1.5를 비교합니다.
진행 방법
- 모델의 입력 제한·시간 간격·관측 단위를 적고 기준 제어를 실행하세요.
- 목표별 RMSE·입력 비용·Return을 비교하세요.
남길 결과
합성 모델에서 인 Action은 인 모델 입력에 대응합니다. 의 물리 단위는 지정하지 않았습니다.
기록 항목과 확인할 점
- 목표
-
- RMSE
-
- 평균 u²
-
- Return
-
확인할 점
- Action 범위와 모델 입력 범위의 대응을 구분해 기록했는가?
- Steady-State Error와 과도 오차를 구분했는가?
2. 모델이 틀릴 때 무너지는 지점
시작 조건
Gain .8→.6 또는 입력 지연 0→0.2 s를 하나씩 적용합니다. P 제어와 짧게 학습한 SAC를 같은 조건에서 비교합니다.
진행 방법
- 제공된 StressMotor가 명목 모델에서 바꾼 항만 찾아 표시하세요.
- 명목·Gain 저하·입력 지연의 평가를 실행하고 지표를 비교하세요.
- 각 제어기가 취약한 조건 하나를 찾아 실제 장치에서 측정할 항목과 연결하세요.
남길 결과
- 정책×조건 표와 취약 조건의 추종 그림.
- 기록 위치:
stress_test의 기존 while 루프, Step 직후. - 보존할 값:
env.t*0.1, env.omega, env.reference. 정책·조건·seed별 구분. - 그림: 표에서 선택한 취약 조건, 기존
seed=100에서 두 정책의 추종 응답과 목표선. - 축: 시간 [s]–Angular Velocity [rad/s]. 기존 평가 기록만 사용합니다.
기록 항목과 확인할 점
- 정책
-
- 조건
-
- seed
-
- Return
-
- RMSE
-
- 입력 비용
-
확인할 점
- 여러 물리 Parameter를 동시에 바꾸지 않았는가?
- 합성 모델의 강건성을 실제 장치 성능으로 주장하지 않았는가?
3. 내 연구의 Reality gap 정하기
시작 조건
앞의 세 조건 중 본인의 연구와 가장 가까운 하나를 선택합니다.
진행 방법
- 식별할 물리 계수·센서 잡음·지연 중 우선순위를 하나 정하세요.
- 명목값·측정할 범위·학습에 사용할 범위·별도 평가 조건을 표로 정하세요.
- 실측 자료가 있다면 추정 방법을, 없다면 필요한 최소 관측을 적으세요.
남길 결과
- Domain randomization 또는 System identification 실험 계획 표.
기록 항목과 확인할 점
- 불확실성
-
- 측정 방법
-
- 학습 범위
-
- 평가 범위
-
확인할 점
- 학습·평가 범위를 무조건 같게 두지 않았는가?
- 안전 한계와 실제 장치 적용 전 확인할 지표를 정했는가?
공식 예제·데이터