Marinarium: A Modular Experimental Facility for Reproducible Maritime and Space-Analog Field Robotics

Resumen Técnico: Marinarium: Una Instalación Experimental Modular para la Robótica de Campo Reproducible en Dominios Marítimos y Análogos Espaciales

Declaración del Problema
La investigación en robótica de campo en los dominios marítimo y espacial enfrenta un "vacío" persistente entre las simulaciones de bajo costo y baja fidelidad y los despliegues en alta mar o en órbita, que son de alto costo y alto riesgo. Si bien las pruebas en aguas abiertas ofrecen realismo, sufren de una observabilidad deficiente, una repetibilidad dependiente del clima y dificultades para adquirir una verdad de terreno (ground truth) precisa para el aprendizaje automático. Por el contrario, las simulaciones de escritorio suelen fallar al capturar interacciones hidrodinámicas, acústicas y electromagnéticas complejas, lo que genera un significativo vacío de "Sim2Real" que obstaculiza el despliegue de políticas entrenadas en simulación. Las instalaciones de tanques de agua existentes carecen a menudo de la instrumentación necesaria, capacidades multidominio (aire, superficie, submarino) y una integración estrecha con gemelos digitales o laboratorios de robótica espacial para apoyar la investigación sistemática en identificación de sistemas, colaboración heterogénea y validación transdominio.

Metodología: La Instalación Marinarium
Para abordar estas limitaciones, los autores presentan Marinarium, una instalación experimental modular e independiente en el Instituto Real de Tecnología (KTH). La instalación está diseñada como un banco de pruebas intermedio y rentable que sirve de puente entre la simulación y el despliegue en campo. Sus componentes principales incluyen:

• Infraestructura Física: Un estanque de agua de $9 \times 5 \times 3$ m con un volumen aéreo de $9 \times 5 \times 2$ m sobre la superficie. Cuenta con un techo totalmente retráctil para permitir tanto operaciones resguardadas como al aire libre (clima real).
• Instrumentación: La instalación está equipada con dos sistemas de captura de movimiento (MoCap): un sistema Qualisys (8 cámaras Arqus) para el seguimiento submarino y un sistema Optitrack (hasta 16 cámaras Flex 13) para el seguimiento aéreo. Esto permite la estimación de estado con 6 grados de libertad (6-DoF) con verdad de terreno.
• Optimización Acústica: Para mitigar los efectos de trayectoria múltiple (multipath) comunes en los tanques de agua, el fondo del estanque está cubierto con 3 toneladas de grava marina de 8–16 mm, lo que permite la comunicación acústica (por ejemplo, una tasa de transmisión del 70% con módems Delphis) que de otro modo sería imposible en tanques de paredes lisas.
• Gemelo Digital: Una réplica digital de la instalación se implementa en el simulador SMaRCSim, conectada a la infraestructura física mediante un puente ROS 2-Unity. Esto permite la sincronización de estado en tiempo real y pruebas de Software-in-the-Loop (SIL).
• Integración con Robótica Espacial: La instalación está físicamente adyacente al laboratorio de robótica espacial de KTH (que alberga el banco de pruebas de cojín de aire ATMOS). Ambas instalaciones comparten un dominio ROS 2 y utilizan pilas de software idénticas (PX4/Pixhawk en BlueROV2 Heavy y voladores libres ATMOS), lo que permite una comparación directa transdominio.

Contribuciones Clave y Validación Experimental
El artículo valida la utilidad de la instalación a través de cuatro estudios representativos en robótica de campo:

1. Identificación de Sistemas Basada en Datos (SYSID):

   • Método: Los autores recolectaron conjuntos de datos de alta fidelidad de un BlueROV2 en el tanque utilizando la verdad de terreno de MoCap. Compararon cuatro enfoques de modelado: un Doble Integrador (DI), un modelo físico estándar de Fossen, una Red Neuronal Informada por la Física (PINc) y un modelo basado en el operador de Koopman (EDMDc) utilizando Funciones de Base Radial (RBF).
   • Resultado: El modelo Koopman EDMDc logró el menor Error Cuadrático Medio (RMSE) en los horizontes de predicción de 1, 10 y 100 pasos, superando tanto al modelo base físico como al modelo PINc. El estudio demuestra que el entorno controlado permite la recolección de datos densos y de bajo ruido necesarios para la identificación de sistemas basada en operadores.

2. Robótica Multidominio Heterogénea:

   • Método: Se ejecutó una misión de encuentro que involucró una flota heterogénea: un AUV submarino (SAM), un USV de superficie (FloatSAM) y un UAV aéreo (Crazyflie).
   • Resultado: La misión demostró con éxito la comunicación transdominio (WiFi, 5G y enlaces acústicos) y un comportamiento coordinado donde el UAV aterrizó sobre el USV mientras el AUV se acoplaba debajo. Esto valida la instalación como un escenario viable para probar el estrés de flotas de múltiples robots antes del despliegue en alta mar.

3. Cierre del Vacío Sim2Real:

   • Método: Utilizando el gemelo digital en SMaRCSim, los autores entrenaron un Perceptrón Multicapa (MLP) para aprender la dinámica residual ($\delta$) entre el vehículo simulado y el vehículo real (verdad de terreno de MoCap). Este residual se inyectó en el simulador para corregir el modelo físico.
   • Resultado: El simulador corregido por el residual mostró mejoras significativas en los errores de predicción de posición y velocidad lineal en horizontes de tiempo largos en comparación con la simulación no corregida. Sin embargo, los autores señalan que los errores de velocidad angular siguieron siendo significativos y que ocurrió inestabilidad durante maniobras de alta aceleración, lo que indica áreas para futuras mejoras de robustez.

4. Validación de Autonomía de Naves Espaciales:

   • Método: Se realizaron experimentos pareados donde un BlueROV2 submarino (actuando como un sustituto de flotabilidad neutra) y el banco de pruebas de cojín de aire planar ATMOS ejecutaron la misma tarea de inspección autónoma definida por Lógica Temporal Temporal (STL) bajo una arquitectura de control idéntica (MPC No Lineal).
   • Resultado: Ambas plataformas rastrearon la trayectoria de referencia con perfiles de movimiento similares. El sustituto submarino reprodujo con éxito el comportamiento de la nave espacial de vuelo libre, validando el uso de sustitutos submarinos para probar algoritmos de guía y control de naves espaciales.

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma que Marinarium proporciona un entorno único, reproducible e instrumentado que reduce el vacío entre la simulación y la realidad. Su importancia radica en:

• Democratización: Ofrecer una alternativa modular y de bajo costo a las instalaciones masivas y escasas en alta mar, haciendo que la investigación rigurosa en robótica de campo sea accesible para grupos académicos.
• Sinergia Transdominio: Ser la única instalación conocida que combina MoCap submarino y sobre el agua, un techo retráctil para la exposición climática, un flujo de trabajo de gemelo digital publicado y una integración estrecha con un laboratorio de robótica espacial.
• Avance Metodológico: Demostrar que los entornos de tanques controlados son esenciales para la identificación de sistemas basada en datos y la transferencia Sim2Real, que a menudo son impracticables o imposibles de lograr únicamente con pruebas en aguas abiertas o simulación.

Los autores concluyen que, si bien la instalación no reemplaza las pruebas en aguas abiertas u orbitales, sirve como un paso intermedio crítico que reduce el riesgo de desarrollo, acelera la iteración y permite la validación de arquitectas de autonomía complejas a través de los domios marítimos y análogos espaciales.