上一篇整理：01：四足 RL 到底在学什么

写在前面：这一篇先把 MDP 当成“读代码的对照表”

上一篇主要是在整理一个直觉问题：四足机器人强化学习到底在学什么？

这一篇我想开始补 MDP。说实话，MDP 这个东西我现在也还不是那种“完全吃透”的状态。它在书上看起来很标准：状态、动作、转移、奖励、折扣因子。但一放到四足机器人代码里，就会变成 observation、action、reward terms、reset、domain randomization、sim step 这些工程细节。

所以这篇不是想写成教程，而是给自己搭一个对照表：

以后看 legged_gym / Isaac Lab / PPO 代码时，知道哪些代码大概对应 MDP 里的哪个部分。

MDP 的全称是 Markov Decision Process，中文常翻译为马尔可夫决策过程。现在我先把它理解成：用一套符号描述“机器人看到什么、做什么、环境怎么变、这一步得多少分”。

一句话结论

我现在对四足 locomotion MDP 的理解是：每个控制周期里，机器人根据当前观测输出一个动作，仿真器或真实物理世界把它推进到下一状态，同时给一个 reward；训练要做的，就是慢慢找到一个长期 reward 更高的策略。

最短可以写成：

$$s_t \xrightarrow{\pi} a_t \xrightarrow{P} s_{t+1},\quad r_t$$

对应到四足机器人里就是：

当前机器人状态/观测
    ↓ policy
关节动作 / 关节目标
    ↓ physics
下一帧机器人状态 + reward

MDP 的标准定义：先记住五个符号

书上通常把 MDP 写成一个五元组。我先把它当作一个索引，不急着要求自己一步到位完全理解：

$$\mathcal{M}=(\mathcal{S},\mathcal{A},P,R,\gamma)$$

其中：

• $\mathcal{S}$：状态空间，state space。
• $\mathcal{A}$：动作空间，action space。
• $P$：状态转移概率，transition probability。
• $R$：奖励函数，reward function。
• $\gamma$：折扣因子，discount factor。

有些资料也会把初始状态分布 $\rho_0$ 和终止条件也写进去，例如：

$$s_0\sim \rho_0(s)$$

我目前先记住上面这五个元素就够用了，后面看代码时再一点点对应。

1. 状态空间 $\mathcal{S}$：先理解成“真实世界全量状态”

理论上的 state $s_t$ 表示环境在时刻 $t$ 的完整状态。

对于四足机器人，如果写得非常完整，状态可能包括：

$$s_t=\{q_t,\dot q_t,p_{\mathrm{base}},R_{\mathrm{base}},v_{\mathrm{base}},\omega_{\mathrm{base}},c_t,\mu,m,\cdots\}$$

这个式子其实我也不会一眼就完全记住，先拆开看：

• $q_t$：关节角。
• $\dot q_t$：关节速度。
• $p_{\mathrm{base}}$：机身位置。
• $R_{\mathrm{base}}$：机身姿态。
• $v_{\mathrm{base}}$：机身线速度。
• $\omega_{\mathrm{base}}$：机身角速度。
• $c_t$：足端接触状态。
• $\mu$：地面摩擦系数。
• $m$：机器人质量/动力学参数。

这里我暂时不用机器人学里常见的“左上角坐标系标记”写法。网页显示时它很容易显得上下标错位。这篇先用更朴素的变量名，例如 $p_{\mathrm{base}}$、$\omega_{\mathrm{base}}$，重点先理解 MDP 结构。

真实物理世界当然还包含更多信息，比如地形、接触力、电机温度、延迟、外部扰动等。

但在四足 RL 论文和代码里，policy 通常拿不到完整 state，而是拿到 observation。

2. 观测 $o_t$：代码里更常见的是 observation

严格来说，很多四足机器人 locomotion 问题更接近 POMDP，也就是 partially observable MDP。因为 policy 看到的不是完整状态 $s_t$，而是观测 $o_t$。

可以写成：

$$o_t=\Omega(s_t)$$

其中 $\Omega$ 是从真实状态到观测的映射。

在四足速度跟踪任务里，常见 observation 可能包括：

$$o_t= \begin{bmatrix} \omega_{\mathrm{base}} \\ g_t \\ q_t-q_{\mathrm{default}} \\ \dot q_t \\ c_t^{\mathrm{cmd}} \\ a_{t-1} \end{bmatrix}$$

这里每一项大概表示：

• $\omega_{\mathrm{base}}$：机身角速度，通常来自 IMU。
• $g_t$：重力方向在机身坐标系下的投影，用来表示姿态。
• $q_t-q_{\mathrm{default}}$：当前关节角相对默认站姿的偏移。
• $\dot q_t$：关节速度。
• $c_t^{\mathrm{cmd}}$：速度命令，比如 $v_x^{\mathrm{cmd}},v_y^{\mathrm{cmd}},\omega_z^{\mathrm{cmd}}$。
• $a_{t-1}$：上一帧动作，用来帮助策略输出更平滑。

所以在工程里，经常不是写：

$$a_t=\pi(s_t)$$

而是写：

$$a_t=\pi(o_t)$$

这点我觉得很关键：理论上讲 state，但代码里经常写 obs。真实机器人部署时，policy 也只能拿到传感器能提供的量，而不是仿真器内部完整状态。

3. 动作空间 $\mathcal{A}$：先搞清楚 action 具体代表什么

动作 $a_t$ 是 policy 在每一步输出的控制量。

理论上动作可以有很多选择：

• 直接输出关节力矩。
• 输出关节位置目标。
• 输出关节位置目标偏移。
• 输出足端位置目标。
• 输出 gait 参数或更高层命令。

在很多四足 locomotion RL 里，policy 输出的是关节位置目标偏移。假设机器人有 12 个主动关节，则：

$$a_t\in\mathbb{R}^{12}$$

常见做法可以写成：

$$q_t^{\mathrm{target}}=q^{\mathrm{default}}+\alpha a_t$$

其中：

• $q^{\mathrm{default}}$ 是默认站姿关节角。
• $a_t$ 是神经网络输出的动作。
• $\alpha$ 是 action scale，用来限制动作幅度。

然后底层 PD 控制器把目标关节角转成力矩：

$$\tau_t=K_p(q_t^{\mathrm{target}}-q_t)-K_d\dot q_t$$

所以我看代码时要注意：policy 输出的 action 不一定就是最终电机力矩，中间可能还有 action scale、默认姿态、PD 控制器这些东西。

4. 转移概率 $P$：这部分通常藏在仿真器里

MDP 中的转移概率写作：

$$P(s_{t+1}\mid s_t,a_t)$$

意思是：在状态 $s_t$ 下执行动作 $a_t$，下一状态是 $s_{t+1}$ 的概率。

对于四足机器人，这个转移由动力学决定：

$$s_{t+1}\sim P(\cdot\mid s_t,a_t)$$

如果在仿真器里，我可以先粗略理解为：

Isaac Gym / Isaac Lab / MuJoCo / RaiSim
根据当前状态和动作积分一步动力学
得到下一状态

如果忽略随机性，也可以写成确定性形式：

$$s_{t+1}=f(s_t,a_t)$$

但实际训练时，通常会加入 domain randomization，例如随机化：

• 摩擦系数。
• 机身质量。
• 电机强度。
• 地面高度。
• 传感器噪声。
• 控制延迟。
• 外部推力扰动。

这样转移就更像随机过程：

$$s_{t+1}\sim P(s_{t+1}\mid s_t,a_t,\xi)$$

其中 $\xi$ 可以理解为被随机化的环境参数。

5. 奖励函数 $R$：最像工程调参的部分

奖励函数是我觉得最工程、也最容易看晕的部分。它不像 MDP 定义那么干净，代码里经常是一堆 reward term 加权相加。

MDP 里通常写作：

$$r_t=R(s_t,a_t,s_{t+1})$$

在四足速度跟踪里，reward 往往由很多项组成：

$$r_t=w_v r_t^{\mathrm{vel}}+w_\omega r_t^{\mathrm{yaw}}+w_h r_t^{\mathrm{height}} -w_\tau r_t^{\mathrm{torque}}-w_a r_t^{\mathrm{action}}-w_s r_t^{\mathrm{slip}}$$

拆开理解：

• $r_t^{\mathrm{vel}}$：线速度跟踪奖励。
• $r_t^{\mathrm{yaw}}$：角速度跟踪奖励。
• $r_t^{\mathrm{height}}$：机身高度稳定奖励。
• $r_t^{\mathrm{torque}}$：力矩惩罚。
• $r_t^{\mathrm{action}}$：动作变化惩罚。
• $r_t^{\mathrm{slip}}$：足端打滑惩罚。
• $w_*$：各项权重。

速度跟踪奖励常见写法是指数形式：

$$r_t^{\mathrm{vel}} =\exp\left(-\frac{\lVert v_{xy,t}^{\mathrm{cmd}}-v_{xy,t}\rVert^2}{\sigma_v}\right)$$

角速度跟踪也类似：

$$r_t^{\mathrm{yaw}} =\exp\left(-\frac{(\omega_{z,t}^{\mathrm{cmd}}-\omega_{z,t})^2}{\sigma_\omega}\right)$$

动作平滑可以惩罚相邻动作差：

$$r_t^{\mathrm{action}}=\lVert a_t-a_{t-1}\rVert^2$$

能耗或力矩惩罚可以写成：

$$r_t^{\mathrm{torque}}=\lVert \tau_t\rVert^2$$

这些公式不是标准答案，更像是我现在用来理解 reward 结构的模板：

想让它做的事 → 正奖励
不想让它做的事 → 惩罚项

6. 折扣因子 $\gamma$：先理解成“眼前和长期的权衡”

强化学习不是只看当前一步奖励，而是看一段时间里的累计表现。这个对四足很重要，因为“当前一步看起来不错”的动作，可能下一秒就让机器人摔倒。

从时刻 $t$ 开始的 return 写作：

$$G_t=\sum_{k=0}^{\infty}\gamma^k r_{t+k}$$

其中：

$$0\le\gamma\le1$$

如果 $\gamma$ 接近 0，policy 更短视，只关心眼前奖励。

如果 $\gamma$ 接近 1，policy 更关注长期表现。

四足机器人里，如果只看眼前一步，可能会学出奇怪动作，比如瞬间蹬一下获得速度，但马上摔倒。折扣累计奖励会鼓励 policy 在长期内保持稳定。

Policy：先记成 observation 到 action 的函数

策略 $\pi$ 表示“看到状态或观测后如何选动作”。

随机策略写作：

$$\pi(a_t\mid o_t)$$

意思是：在观测 $o_t$ 下选择动作 $a_t$ 的概率。

确定性策略可以写作：

$$a_t=\pi(o_t)$$

PPO 训练时常用随机策略，因为训练阶段需要探索。我现在先把它理解成：网络不是只输出一个动作，也可能输出一个动作分布，例如高斯分布：

$$a_t\sim\mathcal{N}(\mu_\theta(o_t),\Sigma_\theta)$$

其中：

• $\mu_\theta(o_t)$ 是网络输出的动作均值。
• $\Sigma_\theta$ 是动作方差或协方差。
• $\theta$ 是神经网络参数。

部署到真实机器人时，常常直接取均值动作：

$$a_t=\mu_\theta(o_t)$$

这样动作更稳定。

Value function：我先理解成“这个状态后面有没有前途”

有了 return，就可以定义价值函数。

状态价值函数：

$$V^\pi(s)=\mathbb{E}_\pi\left[G_t\mid s_t=s\right]$$

意思是：如果当前在状态 $s$，之后一直按照策略 $\pi$ 行动，期望能拿到多少累计奖励。

动作价值函数：

$$Q^\pi(s,a)=\mathbb{E}_\pi\left[G_t\mid s_t=s,a_t=a\right]$$

意思是：当前在状态 $s$，先执行动作 $a$，之后再按照策略 $\pi$ 行动，期望累计奖励是多少。

我目前的直觉是：

V：这个状态好不好
Q：这个状态下做这个动作好不好

放到四足机器人里：

• 如果机器人身体正、速度接近命令、脚下接触稳定，那么 $V$ 应该较高。
• 如果机器人快摔倒了、姿态倾斜很大，那么 $V$ 应该较低。
• 在快摔倒时能把身体拉回来的动作，其 $Q$ 应该更高。

Bellman 关系：先记住“当前 + 未来”

价值函数最重要的一点是可以递推。

对于给定策略 $\pi$，Bellman expectation equation 可以写作：

$$V^\pi(s)=\mathbb{E}_{a\sim\pi,\,s'\sim P} \left[R(s,a,s')+\gamma V^\pi(s')\right]$$

也就是：

当前状态的价值 = 当前一步奖励 + 下一状态价值的折扣期望

这句话我先记下来：很多强化学习算法，本质上都绕不开“当前 reward + 下一步价值”这个递推思想。后面看 PPO / critic 的时候应该还会反复遇到。

最优价值函数可以写作：

$$V^*(s)=\max_a\mathbb{E}_{s'\sim P} \left[R(s,a,s')+\gamma V^*(s')\right]$$

最优策略则可以理解为：

$$\pi^*(s)=\arg\max_a\mathbb{E}_{s'\sim P} \left[R(s,a,s')+\gamma V^*(s')\right]$$

四足机器人里当然不可能真的枚举所有状态和动作，维度太高。所以后面才会用神经网络去近似 policy 和 value。

把速度跟踪任务写成 MDP：我的当前理解

如果把一个最小速度跟踪任务写成 MDP，我现在会这样对照：

状态 / 观测

$$o_t= \begin{bmatrix} \omega_{\mathrm{base}} \\ g_t \\ q_t-q_{\mathrm{default}} \\ \dot q_t \\ v_{x,t}^{\mathrm{cmd}} \\ v_{y,t}^{\mathrm{cmd}} \\ \omega_{z,t}^{\mathrm{cmd}} \\ a_{t-1} \end{bmatrix}$$

动作

$$a_t\in\mathbb{R}^{12}$$

$$q_t^{\mathrm{target}}=q^{\mathrm{default}}+\alpha a_t$$

转移

$$s_{t+1}\sim P(\cdot\mid s_t,a_t)$$

在仿真里就是 physics step。

奖励

$$r_t=r_t^{\mathrm{tracking}}+r_t^{\mathrm{stability}}-r_t^{\mathrm{energy}}-r_t^{\mathrm{smooth}}$$

其中速度跟踪可以写为：

$$r_t^{\mathrm{tracking}} =\exp\left(-\frac{\lVert v_{xy,t}^{\mathrm{cmd}}-v_{xy,t}\rVert^2}{\sigma_v}\right) +\exp\left(-\frac{(\omega_{z,t}^{\mathrm{cmd}}-\omega_{z,t})^2}{\sigma_\omega}\right)$$

终止条件

episode 结束条件可以写成：

$$d_t=\mathbf{1}\left[|\phi_t|>\phi_{\max}\ \lor\ |\theta_t|>\theta_{\max}\ \lor\ t\ge T\right]$$

其中 $\phi_t$ 和 $\theta_t$ 可以理解为 roll / pitch。超过阈值说明机器人姿态太差，可能已经摔倒。

Markov 性：我现在还需要慢慢消化的一点

Markov 性的意思是：未来只依赖当前状态和当前动作，不依赖更早历史。

数学上写作：

$$P(s_{t+1}\mid s_t,a_t,s_{t-1},a_{t-1},\cdots) =P(s_{t+1}\mid s_t,a_t)$$

也就是说，如果 $s_t$ 已经包含足够信息，那么过去发生过什么理论上就不重要。这个说起来简单，但放到机器人上我觉得还挺容易混淆。

但四足机器人实际观测往往不完全 Markov。例如：

• policy 不一定知道真实接触力。
• policy 不一定知道地面摩擦系数。
• policy 不一定知道电机延迟。
• 只看单帧观测可能不知道速度趋势。

所以工程上常用一些办法补信息：

• 把上一帧动作 $a_{t-1}$ 放进 observation。
• 堆叠多帧历史观测。
• 使用 RNN / LSTM。
• 加入 privileged information 训练 critic。
• 做 domain randomization，让 policy 对未知参数更鲁棒。

所以 observation design 不是随便拼几个量，而是在尽量让 policy 看到“足够接近 Markov”的信息。这个点我后面看代码时要特别留意。

MDP 和代码之间怎么对应：以后读代码就按这个找

如果看 Isaac Gym / legged_gym / Isaac Lab 这一类代码，MDP 元素通常会散落在不同函数里。

我先记一个粗略对应关系：

compute_observations()  →  o_t
policy(obs)             →  a_t
pre_physics_step()      →  把 action 转成控制目标
physics step            →  P(s_{t+1}|s_t,a_t)
compute_reward()        →  r_t
check_termination()     →  done / reset

也就是说，MDP 不是单独写在某个文件里的一个公式，而是分布在环境代码的各个部分。

我后面读代码时可以按这个顺序找：

1. observation 由哪些量拼出来。
2. action 代表什么控制量。
3. reward 由哪些项组成。
4. termination 条件是什么。
5. reset 时随机化了哪些东西。

这五个问题搞清楚，基本就知道这个 locomotion task 的 MDP 是怎么定义的。

这一篇我自己的理解：先有框架，不假装全懂

写到这里，我感觉 MDP 对我现在最有用的地方，不是背定义，而是提供一个检查清单。

看一篇四足 RL 论文或一段环境代码时，我可以问：

• 这里的 state / observation 是什么？
• policy 输出的 action 是什么？
• physics / simulator 怎么把状态推进到下一步？
• reward 到底鼓励了什么，惩罚了什么？
• episode 什么时候结束？
• 它有没有满足 Markov 性？如果没有，靠什么补？

这些问题应该比单纯说“用了 PPO”更基础。

因为 PPO 只是优化算法，MDP 才是任务本身。如果 MDP 定义得不好，比如 observation 缺关键信息、action 过于难学、reward 有漏洞，那么换再高级的算法也可能学不出稳定步态。这个判断我现在还需要通过代码和实验继续验证。

小结

这一篇先把 MDP 放到四足机器人 locomotion 里做一个自学版理解：

• $\mathcal{S}$：机器人和环境真实状态。
• $o_t$：policy 实际看到的观测。
• $\mathcal{A}$：policy 输出的动作，常见是 12 维关节目标偏移。
• $P$：由仿真器或真实动力学决定的状态转移。
• $R$：速度跟踪、稳定性、能耗、动作平滑等 reward 组合。
• $\gamma$：长期奖励折扣。
• $V$ / $Q$：状态或动作的长期价值。
• Bellman 关系：当前价值等于当前奖励加下一状态价值。

下一步再看 PPO 时，很多符号应该就不会那么突兀了。PPO 不是凭空来的，它是在这个 MDP 上，用采样数据去更新 policy，让长期累计奖励变大。

这一篇我先接受自己只是“建立框架”，不是完全掌握。后面看 observation、reward、PPO 代码时，再不断把这些符号和实际实现对上。