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【机器人】VLN-R1 微调 | 增强训练 | 连续导航

news 2025/8/4 10:47:18

VLN-R1使用 大型视觉语言模型 LVLM，实现连续环境导航。

输入“第一人称”连续视觉流，让模型学习真实导航中 “逐步感知、动态决策” 的逻辑，输出动作序列。

论文地址：VLN-R1: Vision-Language Navigation via Reinforcement Fine-Tuning

代码地址：https://github.com/Qi-Zhangyang/GPT4Scene-and-VLN-R1

1、框架思路流程

VLN-R1 的框架流程，如下图所示，让大型视觉语言模型（LVLM）作为 “第一人称智能体” ，实现端到端导航 的核心思路。

1）模型输入：智能体第一视角的连续视频帧，而非传统方法的 “全局地图 + 指令”。

让模型直接模拟人类 “用眼睛看环境、用语言懂指令” 的感知习惯，为后续 “视觉→动作” 的端到端映射奠定基础。

2）训练流程：两阶段优化（SFT→RFT）

设计 “模仿学习（SFT）+ 强化学习（RFT）” 双阶段，解决 “基础动作逻辑” 与 “长程误差累积” 问题。
有监督微调，通过 “硬监督” 让模型掌握基础动作逻辑（如 “前进、转向” 的文本表达与执行条件）。
强化微调，优化长距离导航的鲁棒性，解决 “一步错、步步错” 的误差累积问题。

3）动作输出：端到端视觉 - 语言动作（VL-Action）

直接驱动智能体的动作序列（如[A.前进 B.左转… D.停止]），而非传统方法的 “离散路径坐标”。
从 “视觉输入” 到 “动作输出” 无需外部转换模块，让 LVLM 真正成为 “自主决策者”；

VLN-R1思路本质是 “让 LVLM 像人类一样导航”：

用第一人称连续视觉替代抽象地图，贴近真实感知；
用两阶段训练解决 “基础学习” 与 “长程优化” 的分层需求；
用端到端动作输出让模型直接成为 “可执行任务的智能体”。

2、了解如何制作数据集

因为VLN-R1用到了“有监督训练”，需要知道如何制作数据集的，从提供的VLN-Ego数据集分析；

维度	传统导航数据集（如 R2R）	VLN-Ego
视角	第三人称全局地图（鸟瞰图）	第一人称连续视觉流（Ego-view）
动作标注	离散位置坐标（如房间编号）	连续动作序列（前进、转向、停止）
模态对齐	视觉（全局）- 语言（弱对齐）	视觉（第一人称）- 语言 - 动作（强对齐）
训练目标	路径规划（需外部动作转换）	端到端动作决策（直接驱动智能体）

每条 VLN-Ego 样本包含 “指令（Instruction）- 视觉（Vision）- 动作（Action）”三元组。

2.1. 指令部分（Instruction）

系统提示（System Message）：如“你是一个用于导航任务的机器人，需根据第一视角画面执行动作”，模拟真实任务中的角色设定，引导模型理解 “我是谁、要做什么”；
自然语言指令：如“进入房间，在床脚左转，走到右侧衣柜门口停下”，用人类日常语言描述导航目标，测试模型的语言理解与场景映射能力。

2.2. 视觉部分（Vision）

包含历史观测（History Memory） 和当前观测（Current Observation），模仿人类 “记忆 + 实时感知” 的决策模式：

历史观测：采样长短时记忆帧（近期帧密集采样，远期帧稀疏采样），让模型同时保留：
- 短时细节（如眼前的床脚、转角）；
- 长时上下文（如 “从哪个房间进入”“之前是否经过标志性物体”）；
当前观测：智能体实时第一视角画面（如当前面对的衣柜、墙面），驱动模型 “基于当下环境做决策”。

3. 动作部分（Action）

基础动作空间：定义 4 个原子动作（前进、左转、右转、停止），对应物理可执行的运动（前进 25cm、左转 30°、右转 30°、停止），而非抽象指令；
未来动作序列标签：标注未来 6 步的专家动作序列（如[A,B,C,B,C,D]，A = 前进、D = 停止），为模型提供 “正确决策路径” 的监督信号。

下面图片是制作数据的思路流程：

模型处理单个样本的逻辑是 **“指令理解→视觉整合→动作规划”** 的端到端闭环：

角色与任务对齐：通过系统提示明确 “我是导航机器人”，通过指令明确 “要完成什么任务”；
环境上下文构建：结合历史画面（记忆）和当前画面（实时感知），理解 “我在哪里、之前走过什么路径、现在看到什么环境”；
多步动作规划：基于语言指令和视觉信息，从 4 个原子动作中选择并排列出连续 6 步的可行序列，让智能体从 “当前位置” 执行动作，最终完成导航任务（如走到衣柜门口停下）。

通过模拟人类导航的 “感知 - 决策” 过程，为模型训练提供从 “模仿专家” 到 “自主优化” 的完整监督信号。

3、基于可验证奖励的强化学习（RLVR）

想象你教机器人导航时，传统方法（RLHF） 像请人类当评委：人类看机器人动作，主观说 “这样做对 / 不对”。

但导航任务里，“正确动作” 其实是客观存在的（比如 “前进 25cm→左转 30°” 就是标准答案）。

RLVR 干的事儿，就是用 “客观答案” 当考官，让模型直接学 “什么动作绝对正确”。

核心区别：RLHF vs RLVR

对比维度	传统 RLHF（从人类反馈学习）	RLVR（基于可验证奖励）
“考官” 是谁	人类（主观判断 “喜欢哪个动作”）	客观答案（比如 “正确动作序列”）
奖励特点	软奖励（如 “这个动作比另一个好一点”）	硬奖励（非对即错，正确得 1，错误得 0）
适用场景	无明确标准答案的任务（如聊天）	有明确标准答案的任务（如导航、数学）

RLVR 的 “优化公式”：让模型学 “做对题”+“别跑题”

RLVR 的目标是让模型生成的动作序列，既接近正确答案，又别太离谱（和原来的参考模型差异太大）。

奖励项（ R(q, o) ）：导航任务中，若模型输出的动作序列（o）和真实序列（比如 “前进→左转→停止”）完全一致，得 1；否则得 0。像考试判卷，对就满分，错就 0 分。
惩罚项（KL 散度）：防止模型 “为了做对题，学出奇怪动作”。比如参考模型原本知道 “左转 30°”，新模型突然学出 “左转 90°”（虽然可能凑巧做对当前题，但泛化性差），KL 散度会给这种 “离群” 行为扣分，让模型慢慢学 “合理动作”。

导航任务中的应用：动作序列的 “对与错”

比如指令是 “走到衣柜门口停下”，真实动作序列是 [前进、左转、前进、停止]：

模型 A 输出 [前进、左转、前进、停止] → 奖励 1，KL 惩罚低（和参考模型接近）→ 优化方向：多学这类序列。
模型 B 输出 [前进、右转、前进、停止] → 奖励 0，KL 惩罚可能高（动作方向错了）→ 优化方向：少学这类序列。

4、组相对策略优化（GRPO）：让模型 “自己和自己比着学”

传统强化学习（如 PPO）需要额外训练一个 “评论模型”（判断动作好不好），但大型模型参数太多，训练评论模型很麻烦。

GRPO 想了个招：让模型自己生成多个候选动作序列，互相比较选最优，不用额外模型！

核心思路：“多候选对比” 替代 “外部评委”

假设模型要处理指令 “进入房间左转”，GRPO 让模型一次性生成 8 个不同的动作序列候选（比如有的先前进再左转，有的直接左转），然后：

给每个候选打分（用 RLVR 的硬奖励，对或错）；
算 “相对优势”：比组内平均水平好多少（比如候选 A 得分比组内平均高，就有正优势）；
调整模型参数：让有正优势的序列更可能被生成，同时限制和参考模型的差异。

长距离导航时，一步错可能步步错。GRPO 让模型同时生成多个 “动作序列方案”，比如：

方案 1：[前进、左转、前进、停止]（正确，奖励 1）
方案 2：[前进、右转、前进、停止]（错误，奖励 0）
方案 3：[左转、前进、前进、停止]（错误，奖励 0）

通过对比，模型会发现 “方案 1” 更优，优先强化它的生成概率。

这样，即使某一步容易出错（比如 “什么时候左转”），多候选对比能帮模型找到 “整体更对” 的序列，减少长程导航的误差累积。

RLVR 像 “客观考官”，定义 “什么动作是对的”；
GRPO 像 “智能教练”，教模型 “怎么找到对的动作，还能稳定学习”。

5、有监督微调（SFT）阶段：学习基础导航

给它第一视角的 “视频片段”（比如在房间里走的画面）、人类指令（比如 “走到衣柜门口停下”），让它预测未来 6 步该做什么动作（前进、左转等）。

输入：
- 语言指令（Instruction）：自然语言描述目标（如 “在床脚左转，走到衣柜门口”）；
- 视觉信息（Vision）：
  - 历史观测（History Memory）：过去的第一视角画面（走过的路径）；
  - 当前观测（Current Observation）：现在看到的画面（眼前的环境）；
输出：未来 6 步的动作序列（如 A. 前进25cm, B. 左转30°, ..., D. 停止）；
成功标准：执行完动作序列后，机器人停止位置与目标的距离在阈值内（比如≤50 厘米）。

VLN-R1 的长短时记忆采样

把历史画面分成 **“短时记忆” 和 “长时记忆”** 两部分采样：

短时记忆：最近 M 步内，每s1帧采一次（比如每 1-2 帧采 1 张）→ 保留眼前细节（如当前房间的床、衣柜位置）；
长时记忆：更早的历史帧，每 s2帧采一次（比如每 5-10 帧采 1 张）→ 保留整体路径上下文（如 “从客厅进来，已经走过 2 个房间”）。

👉 比喻：像拍照，短时是 “连拍最近的关键画面”，长时是 “间隔拍几张之前的场景”，让模型既知道 “现在在哪”，也知道 “怎么来的”。

SFT 阶段用交叉熵损失，强制模型的输出和 “专家演示的真实动作序列” 对齐。

模型每生成一个动作 token（比如 “A”“Move”“forward”），都要和专家标注的 “正确 token” 对比，对不上就扣分。

SFT 阶段的目标不是让模型 “完美导航”，而是学会最基础的 “视觉 - 语言 - 动作” 映射

这些基础能力是后续强化微调（RFT） 的前提 ——RFT 会让模型在 “长距离导航” 中优化决策，但如果 SFT 没学好基础动作，RFT 也无从谈起。

6、强化微调（RFT）阶段：让模型从 “模仿专家” 到 “自主优化长程决策”

RFT 是 VLN-R1 训练的第二阶段，核心解决 SFT 的 “长距离导航缺陷”：

SFT 让模型学会了基础动作逻辑，但面对多步连续导航时，容易出现 “一步错、步步错” 的误差累积（比如中间转错方向，后面路径全偏离）。

RFT 通过强化学习，让模型在 “试错中自主优化”，学会动态调整策略，减少长程导航的错误累积。要让模型学会：

动态调整：遇到 “专家没教过的场景”（如沙发位置变化），能自主调整动作；
减少误差累积：即使某一步小错（如左转角度差 10°），后续能修正，而非一路错到底；
策略优化：从 “被动模仿” 变成 “主动找更优动作序列”。

关键机制 1：时间衰减奖励（TDR）—— 给 “近期动作” 更高权重

人类导航时，刚做的动作对当前状态影响更大（比如刚左转转错了，马上会偏离路线），而远期动作的影响会被 “后续动作” 稀释。

TDR 模拟这一逻辑，给近期动作的奖励 / 惩罚更高权重。通俗理解：“近期错了更要命”

👉 TDR 的作用：精准惩罚 “早期关键错误”，鼓励模型优先优化近期动作（比如第一步、第二步），减少长程误差的根源。

关键机制 2：GRPO 算法 —— 让模型 “自己和自己比着学”

传统强化学习（如 PPO）需要额外训练 “评论模型”（判断动作好不好），但大型模型参数太多，训练评论模型效率低。

RFT 用 GRPO（组相对策略优化），让模型生成多个候选动作序列，互相对比选最优，无需额外模型。

GRPO 工作流程

生成多候选：针对同一指令 + 视觉输入，模型生成 G 个动作序列候选（比如 8 个不同的 6 步序列）；
算奖励：用 TDR 给每个候选打分（比如候选 1 得分 4.2，候选 2 得分 3.8）；
算 “相对优势”：对比组内平均，判断每个候选 “比平均好多少”（比如候选 1 得分比组内平均高 0.5，优势为正）；
优化策略：调整模型参数，让优势高的候选更可能被生成，同时用 KL 散度限制与 “参考模型”（SFT 后的模型）的差异，避免学出 “离谱动作”。

对比维度	SFT（有监督微调）	RFT（强化微调）
学习方式	模仿专家（有监督，交叉熵损失）	自主试错（强化学习，奖励驱动）
优化目标	对齐专家动作序列（短距离精准）	优化长程奖励（减少误差累积）
关键输入	专家标注的 “真实动作序列”	动态计算的 “奖励信号”（TDR）
解决问题	基础动作逻辑（看画面、懂指令、做动作）	长距离导航鲁棒性（修正累积误差）

7、实验验证与效果

数据集：

使用 VLN-Ego作为训练数据集，其中有监督微调（SFT）阶段采用来自 R2R 和 RxR 数据集的 180 万样本，
强化微调（RFT）阶段则从每个数据集中随机选取 1 万样本，总计 2 万样本用于训练。
智能体仅通过第一视角视频导航至目标点，若在阈值距离内停止，该导航回合即视为成功。

使用VLN-CE 指标进行评估：

成功率（SR）、最优成功率（OS）、路径长度加权成功率（SPL） 衡量导航准确性；
导航误差（NE）、轨迹长度（TL） 评估导航效率。

所有距离测量结果均以米（m） 为单位报告。

训练细节：

训练了 Qwen2-VL-2B 和 Qwen2-VL-7B 模型，其中 7B 模型通过 DeepSpeed ZeRO-3 优化部署在 8 张 NVIDIA A800 GPU 上。
训练期间，图像被调整至最大分辨率 65536 像素，以每个实例 16 张图像的批次处理，生成约 4.1K tokens。
有监督微调（SFT）采用 5e-6 的学习率，搭配余弦调度（10% 预热），每 GPU 批次大小为 2，通过 4 步梯度累积实现全局批次大小 64，完成 1 个 epoch 需 36 小时。
强化微调（RFT）将学习率降至 1e-6，搭配 0.01 的权重衰减和 β=0.04，配置 GRPO 时每个提示生成 8 个样本，每 GPU 批次大小为 1（无梯度累积），完成 1 个 epoch 约需 12 小时。

在 VLN-CE R2R 验证不可见集（Val-Unseen）上的对比：