FC Portugal - High-Level Skills Within A Multi-Agent Environment

Ao longo dos anos a RoboCup, uma competição internacional de robótica e da inteligência artificia, foi palco de muitos desenvolvimentos e melhorias nestes duas áreas científicas. Esta competição tem diferentes desafios, incluindo uma liga de simulação 3D (Simulation 3D League). Anualmente, ocorre um torneio de jogos de futebol simulados entre as várias equipas participantes na Simulation 3D League, todas estas equipas deveram ser compostas por 11 robôs humanoides. Esta simulação obedece às leis da física de modo a se aproximar das circunstâncias dos jogos reais. Além disso, as regras da competição são semelhantes às regras originais do futebol com algumas alterações e adaptações. A equipa portuguesa, o FC Portugal 3D é um participante assíduo nos torneios desta liga e chegou até a ser vitoriosa várias vezes nos últimos anos, no entanto, para participar nesta competição é necessário que as equipas tenham os seus agentes capazes de executar skills (ou habilidades) de baixo nível como andar, chutar e levantar-se. O bom registo da equipa FC Portugal 3D advém do facto de os métodos utilizados para treinar os seus jogadores serem continuamente melhorados resultando em melhores habilidades. De facto, considera-se que estes comportamentos de baixo nível estão num ponto em que é possível mudar o foco das implementações para competências de alto nível que deveram ser baseadas nestas competências fundamentais de baixo nível. O futebol pode ser visto como um jogo cooperativo onde jogadores da mesma equipa têm de trabalhar em conjunto para vencer os seus adversários, consequentemente, este jogo é considerado como um bom ambiente para desenvolver, testar e aplicar implementações relativas a cooperações multi-agente. Com isto em mente, o objetivo desta dissertação é construir uma setplay multi-agente baseada nas skills de baixo nível previamente implementadas pela FC Portugal para serem usadas em situações de jogo específicas em que a intenção principal é marcar um golo. Recentemente, muitos participantes da 3D League (incluindo a equipa portuguesa) têm desenvolvido competências utilizando métodos de Deep Reinforcement Learning obtendo resultados satisfatórios num tempo razoável. A abordagem adotada neste projeto foi a de utilizar o algoritmo de Reinforcement Learning, PPO, para treinar todos os ambientes criados com o intuito de desenvolver a setplay pretendida, os resultados dos treinos estão presentes no penúltimo capítulo deste documento seguidos de sugestões para implementações futuras.Throughout the years the RoboCup, an international competition of robotics and artificial intelligence, saw many developments and improvements in these scientific fields. This competition has different types of challenges including a 3D Simulation League that has an annual tournament of simulated soccer games played between several teams each composed of 11 simulated humanoid robots. The simulation obeys the laws of physics in order to approximate the games as much as possible to real circumstances, in addition, the rules are similar to the original soccer rules with a few alterations and adaptations. The Portuguese team, FC Portugal 3D has been an assiduous participant in this league tournaments and was even victorious several times in the past years, nonetheless, to participate in this competition is necessary for teams to have their agents able to execute low-level skills such as walk, kick and get up. The good record of the FC Portugal 3D team comes from the fact that the methods used to train the robots keep being improved, resulting in better skills. As a manner of fact, it is considered that these low-level behaviors are at a point that is possible to shift the implementations' focus to high-level skills based on these fundamental low-level skills. Soccer can be seen as a cooperative game where players from the same team have to work together to beat their opponents, consequently, this game is considered to be a good environment to develop, test, and apply cooperative multi-agent implementations. With this in mind, the objective of this dissertation is to construct a multi-agent setplay based on FC Portugal's low-level skills to be used in certain game situations where the main intent is to score a goal. Recently, many 3D League participants (including the Portuguese team) have been developing skills using Deep Learning methods and obtaining successful results in a reasonable time. The approach taken on this project was to use the Reinforcement Learning algorithm PPO to train all the environments that were created to develop the intended setplay, the results of the training are present in the second-to-last chapter of this document followed by suggestions for future implementations

Information theoretic stochastic search

The MAP-i Doctoral Programme in Informatics, of the Universities of Minho, Aveiro and PortoOptimization is the research field that studies the design of algorithms for finding the best solutions to problems we may throw at them. While the whole domain is practically important, the present thesis will focus on the subfield of continuous black-box optimization, presenting a collection of novel, state-of-the-art algorithms for solving problems in that class. In this thesis, we introduce two novel general-purpose stochastic search algorithms for black box optimisation. Stochastic search algorithms aim at repeating the type of mutations that led to fittest search points in a population. We can model those mutations by a stochastic distribution. Typically the stochastic distribution is modelled as a multivariate Gaussian distribution. The key idea is to iteratively change the parameters of the distribution towards higher expected fitness. However we leverage information theoretic trust regions and limit the change of the new distribution. We show how plain maximisation of the fitness expectation without bounding the change of the distribution is destined to fail because of overfitting and the results in premature convergence. Being derived from first principles, the proposed methods can be elegantly extended to contextual learning setting which allows for learning context dependent stochastic distributions that generates optimal individuals for a given context, i.e, instead of learning one task at a time, we can learn multiple related tasks at once. However, the search distribution typically uses a parametric model using some hand-defined context features. Finding good context features is a challenging task, and hence, non-parametric methods are often preferred over their parametric counter-parts. Therefore, we further propose a non-parametric contextual stochastic search algorithm that can learn a non-parametric search distribution for multiple tasks simultaneously.Otimização é área de investigação que estuda o projeto de algoritmos para encontrar as melhores soluções, tendo em conta um conjunto de critérios, para problemas complexos. Embora todo o domínio de otimização tenha grande importância, este trabalho está focado no subcampo da otimização contínua de caixa preta, apresentando uma coleção de novos algoritmos novos de última geração para resolver problemas nessa classe. Nesta tese, apresentamos dois novos algoritmos de pesquisa estocástica de propósito geral para otimização de caixa preta. Os algoritmos de pesquisa estocástica visam repetir o tipo de mutações que levaram aos melhores pontos de pesquisa numa população. Podemos modelar essas mutações por meio de uma distribuição estocástica e, tipicamente, a distribuição estocástica é modelada como uma distribuição Gaussiana multivariada. A ideia chave é mudar iterativamente os parâmetros da distribuição incrementando a avaliação. No entanto, alavancamos as regiões de confiança teóricas de informação e limitamos a mudança de distribuição. Deste modo, demonstra-se como a maximização simples da expectativa de “fitness”, sem limites da mudança da distribuição, está destinada a falhar devido ao “overfitness” e à convergência prematura resultantes. Sendo derivado dos primeiros princípios, as abordagens propostas podem ser ampliadas, de forma elegante, para a configuração de aprendizagem contextual que permite a aprendizagem de distribuições estocásticas dependentes do contexto que geram os indivíduos ideais para um determinado contexto. No entanto, a distribuição de pesquisa geralmente usa um modelo paramétrico linear em algumas das características contextuais definidas manualmente. Encontrar uma contextos bem definidos é uma tarefa desafiadora e, portanto, os métodos não paramétricos são frequentemente preferidos em relação às seus semelhantes paramétricos. Portanto, propomos um algoritmo não paramétrico de pesquisa estocástica contextual que possa aprender uma distribuição de pesquisa não-paramétrica para várias tarefas simultaneamente.FCT - Fundação para a Ciência e a Tecnologia. As well as fundings by European Union’s FP7 under EuRoC grant agreement CP-IP 608849 and by LIACC (UID/CEC/00027/2015) and IEETA (UID/CEC/00127/2015)