Traceable Virtual Sea Trials in the Marine Robotics Unity Simulator for Manoeuvring Assessment of Unmanned Surface Vehicles

Resumen Técnico: Pruebas de Mar Virtuales Trazables en el Simulador de Robótica Marina MARUS

Planteamiento del Problema
La identificación precisa de las derivadas hidrodinámicas es fundamental para el control y la navegación autónoma de Vehículos Superficiales No Tripulados (USV). Si bien las pruebas de mar físicas (Círculo de Giro y Zig-Zag) son el estándar para evaluar la maniobrabilidad según las directrices de la Organización Marítima Internacional (IMO) y la Conferencia Internacional de Tanques de Prueba (ITTC), estas suelen estar limitadas por altos costos, riesgos de seguridad y variabilidad ambiental. Por el contrario, la dinámica de fluidos computacional (CFD) ofrece una alta fidelidad, pero carece de la capacidad en tiempo real requerida para la experimentación de la autonomía.

Los simuladores orientados a la robótica existentes (por ejemplo, Gazebo basado en ROS, MARUS basado en Unity) proporcionan un punto medio práctico, pero sufren de una limitación crítica: típicamente tratan las entradas de control comandadas como equivalentes a la actuación realizada. Esta suposición no tiene en cuenta la saturación de los actuadores, los retrasos de ejecución y las restricciones físicas, particularmente en los USV de empuje diferencial donde no existe un timón físico. En consecuencia, los conjuntos de datos de Identificación de Sistemas (SI) basados en simuladores suelen contener sesgos que comprometen la fiabilidad de la estimación de las derivadas hidrodinámicas y la calibración del Gemelo Digital (DT).

Metodología
El artículo presenta una extensión al simulador de robótica marina de código abierto (MARUS) para crear un marco de "Pruebas de Mar Virtuales Trazables". La metodología integra una arquitectura de control híbrida donde ROS gestiona la lógica de maniobra de alto nivel (secuencias de TC y Zig-Zag) mientras que Unity gestiona la integración de la física, la hidrodinámica y la actuación.

Las innovaciones metodológicas clave incluyen:

1. Separación Comando–Ejecución: El marco distingue explícitamente entre el comando equivalente al timón ordenado ($\delta_{cmd}$) y el proxy equivalente al timón ejecutado ($\delta_{exec}$). Para los USV de empuje diferencial, $\delta_{exec}$ se calcula en tiempo real a partir del desequilibrio de empuje de babor y estribor ($T_{estbd} - T_{babor}$), en lugar de asumir que el comando dado se logra perfectamente.
2. Temporización Basada en la Ejecución: El inicio de la maniobra ($t_0$) y los rumbos de referencia se definen basándose en el cruce de umbral de la señal de actuación ejecutada ($\delta_{exec}$), en lugar de la intención del controlador. Esto asegura que todas las métricas cinemáticas estén alineadas con la realidad física de la respuesta del buque.
3. Extracción de Métricas Estandarizadas: El marco automatiza la extracción de métricas alineadas con IMO/ITTC, incluyendo Avance, Transferencia y Diámetro Táctico para los Círculos de Giro (TC), y Ángulos de Sobreimpulso ($\alpha_1, \alpha_2$) y Tasas de Guiñada Pico para las pruebas de Zig-Zag (ZZ).
4. Acondicionamiento de Datos para SI: Un flujo de post-procesamiento valida la consistencia interna (comparando las tasas de guiñada registradas por el motor de física contra las tasas reconstruidas mediante la diferenciación de rumbo) y organiza los datos en conjuntos de datos listos para SI que contienen señales de actuación duales ($\delta_{cmd}, \delta_{exec}$) y estados del buque.

Contribuciones Clave
El artículo describe tres contribuciones principales:

• Marco Automatizado: Un flujo de trabajo estandarizado y automatizado dentro de MARUS para realizar pruebas de mar virtuales de TC y ZZ que se adhieren a los procedimientos de IMO/ITTC.
• Registro con Trazabilidad de Actuación: Una estructura de datos novedosa para USV de empuje diferencial que registra el desajuste entre la actuación comandada y la realizada, abordando un modo de fallo conocido en la SI basada en simuladores donde las entradas comandadas se tratan incorrectamente como actuación lograda.
• Post-procesamiento Auditable: Un flujo de trabajo que produce conjuntos de datos conformes y enfocados en SI, permitiendo una estimación de derivadas hidrodinámicas y una calibración de Gemelos Digitales más fiables mediante la preservación de la trazabilidad de la actuación física.

Resultos
Se realizaron estudios de caso en un USV simulado de 300 kg utilizando el marco propuesto. Los resultados demostraron:

• Repetibilidad y Cumplimiento: Todas las maniobras cumplieron con los criterios de la resolución IMO MSC.137(76). Para las pruebas de TC, el avance normalizado y el diámetro táctico mostraron asimetrías menores (diferencias del 3.9% y 4.6–4.7% entre babor y estribor), atribuidas a desequilibrios de empuje a nivel de ejecución en lugar de errores de control.
• Desempeño de Zig-Zag: Los excesos de sobreimpulso tanto para las pruebas de $\pm10^\circ$ como de $\pm20^\circ$ se mantuvieron por debajo de $1^\circ$, dentro de los límites de la IMO. Las tasas de guiñada pico oscilaron entre 4.1 y 5.8 deg/s, escalando con la magnitud de la maniobra.
• Validación de la Trazabilidad: El análisis confirmó desviaciones sistemáticas entre $\delta_{cmd}$ y $\delta_{exec}$ durante las fases de saturación y reversión. Ignorar estas desviaciones introduciría un sesgo en la SI. Además, la fuerte correlación ($\rho = 0.98$) entre las tasas de guiñada registradas y las reconstruidas validó la consistencia física interna del simulador y del flujo de datos.

Significancia
El artículo sostiene que, al fundamentar las pruebas de mar virtuales en la actuación realizada en lugar de en los comandos de entrada, el marco propuesto genera conjuntos de datos que no solo son conformes con los estándares internacionales, sino también físicamente consistentes. Esta trazabilidad es esencial para superar las limitaciones de la SI actual basada en simuladores, donde la suposición de una respuesta de actuador perfecta conduce a modelos hidrodinámicos sesgados. El marco apoya el desarrollo de Gemelos Digitales y sistemas de control autónomo más fiables al asegurar que los datos de maniobra subyacentes reflejen con precisión las restricciones físicas y las realidades de la ejecución.