Holonomic autonomous underwater vehicles (AUVs) have the hardware ability for agile maneuvering in both translational and rotational degrees of freedom (DOFs). However, due to challenges inherent to underwater vehicles, such as complex hydrostatics and hydrodynamics, parametric uncertainties, and frequent changes in dynamics due to payload changes, control is challenging. Performance typically relies on carefully tuned controllers targeting unique platform configurations, and a need for re-tuning for deployment under varying payloads and hydrodynamic conditions. As a consequence, agile maneuvering with simultaneous tracking of time-varying references in both translational and rotational DOFs is rarely utilized in practice. To the best of our knowledge, this paper presents the first general zero-shot sim2real deep reinforcement learning-based (DRL) velocity controller enabling path following and agile 6DOF maneuvering with a training duration of just 3 minutes. Sim2Swim, the proposed approach, inspired by state-of-the-art DRL-based position control, leverages domain randomization and massively parallelized training to converge to field-deployable control policies for AUVs of variable characteristics without post-processing or tuning. Sim2Swim is extensively validated in pool trials for a variety of configurations, showcasing robust control for highly agile motions.


翻译:全向自主水下航行器(AUV)在硬件上具备在平移和旋转自由度(DOF)上进行敏捷机动的能力。然而,由于水下航行器固有的挑战,如复杂的流体静力学和流体动力学特性、参数不确定性以及因载荷变化导致的动力学频繁改变,控制问题尤为困难。其性能通常依赖于针对特定平台配置精心调校的控制器,且在载荷和流体动力学条件变化时需要重新调参。因此,在实践中,同时跟踪平移和旋转自由度上时变参考的敏捷机动能力很少得到充分利用。据我们所知,本文首次提出了一种通用的零样本仿真到现实深度强化学习(DRL)速度控制器,仅需3分钟训练即可实现路径跟踪和敏捷的6自由度机动。所提出的Sim2Swim方法受最先进的基于DRL的位置控制启发,利用领域随机化和大规模并行训练,无需后处理或调参,即可为不同特性的AUV收敛至可直接部署的控制策略。Sim2Swim在多种配置的池试验中得到了广泛验证,展示了其对高度敏捷运动的鲁棒控制能力。

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