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

Résumé Technique : Essais en Mer Virtuels Traçables dans le Simulateur de Robotique Marine MARUS

Énoncé du Problème
L'identification précise des dérivées hydrodynamiques est fondamentale pour le contrôle et la navigation autonome des véhicules de surface sans équipage (USV). Bien que les essais en mer physiques (Cercle de Virage et Zig-Zag) constituent la norme pour évaluer la manœuvrabilité selon les directives de l'Organisation Maritime Internationale (OMI) et de la Conférence Internationale sur les Bassins de Résonance (ITTC), ils sont souvent contraints par des coûts élevés, des risques de sécurité et une variabilité environnementale. À l'inverse, la mécanique des fluides numérique (CFD) offre une haute fidélité mais manque de la capacité en temps réel requise pour l'expérimentation de l'autonomie.

Les simulateurs orientés robotique existants (par exemple, Gazebo basé sur ROS, MARUS basé sur Unity) offrent un compromis pratique mais souffrent d'une limitation critique : ils traitent généralement les entrées de commande comme étant équivalentes à l'actionnement réalisé. Cette hypothèse ne tient pas compte de la saturation des actionneurs, des délais d'exécution et des contraintes physiques, particulièrement pour les USV à poussée différentielle qui ne possèdent pas de gouvernail physique. Par conséquent, les jeux de données d'identification de système (SI) issus de simulateurs comportent souvent des biais qui compromettent la fiabilité de l'estimation des dérivées hydrodynamiques et du calibrage des jumeaux numériques (DT).

Méthodologie
Le présent article présente une extension du simulateur de robotique marine open-source MARUS afin de créer un cadre d'« Essais en Mer Virtuels Traçables ». La méthodologie intègre une architecture de contrôle hybride où ROS gère la logique de manœuvre de haut niveau (séquences TC et Zig-Zag) tandis qu'Unity gère l'intégration physique, l'hydrodynamique et l'actionnement.

Les principales innovations méthodologiques incluent :

1. Séparation Commande–Exécution : Le cadre distingue explicitement la commande de gouvernail ordonnée ($\delta_{cmd}$) et le proxy de gouvernail exécuté ($\delta_{exec}$). Pour les USV à poussée différentielle, $\delta_{exec}$ est calculé en temps réel à partir du déséquilibre de poussée bâbord et tribord ($T_{stbd} - T_{port}$), plutôt que de supposer que l'entrée commandée est parfaitement réalisée.
2. Temporalité Fondée sur l'Exécution : Le début de la manœuvre ($t_0$) et les caps de référence sont définis sur la base du franchissement de seuil du signal d'actionnement exécuté ($\delta_{exec}$), plutôt que sur l'intention du contrôleur. Cela garantit que toutes les métriques cinématiques sont alignées avec la réalité physique de la réponse du navire.
3. Extraction de Métriques Standardisées : Le cadre automatise l'extraction des métriques conformes à l'OMI/ITTC, incluant l'avance, le transfert et le diamètre tactique pour les cercles de virage (TC), ainsi que les angles de dépassement ($\alpha_1, \alpha_2$) et les vitesses de lacet maximales pour les tests Zig-Zag (ZZ).
4. Conditionnement de Données Prêt pour la SI : Un pipeline de post-traitement valide la cohérence interne (en comparant les vitesses de lacet enregistrées par le moteur physique aux vitesses reconstruites par différenciation de cap) et organise les données en jeux de données prêts pour la SI, contenant les signaux d'actionnement doubles ($\delta_{cmd}, \delta_{exec}$) et les états du véhicule.

Principales Contributions
L'article expose trois contributions primaires :

• Cadre Automatisé : Un flux de travail standardisé et automatisé au sein de MARUS pour mener des essais en mer virtuels TC et ZZ conformes aux procédures OMI/ITTC.
• Journalisation Traçable de l'Actionnement : Une structure de données novatrice pour les USV à poussée différentielle qui enregistre l'écart entre l'actionnement commandé et réalisé, traitant un mode de défaillance connu de la SI par simulation où les entrées commandées sont incorrectement traitées comme une action de réalisation parfaite.
• Post-traitement Auditable : Un flux de travail produisant des jeux de données conformes et axés sur la SI, permettant une estimation plus fiable des dérivées hydrodynamiques et un meilleur calibrage des jumeaux numériques en préservant la traçabilité de l'actionnement physique.

Résultats
Des études de cas ont été menées sur un USV simulé de 300 kg en utilisant le cadre proposé. Les résultats ont démontré :

• Reproductibilité et Conformité : Toutes les manœuvres satisfaisent aux critères MSC.137(76) de l'OMI. Pour les tests TC, l'avance normalisée et le diamètre tactique ont montré de légères asymétries (différences de 3,9 % et 4,6–4,7 % entre bâbord et tribord), attribuées à des déséquilibres de poussée au niveau de l'exécution plutôt qu'à des erreurs de contrôle.
• Performance du Zig-Zag : Les excès de dépassement pour les tests $\pm10^\circ$ et $\pm20^\circ$ sont restés inférieurs à $1^\circ$, bien en deçà des limites de l'OMI. Les vitesses de lacet maximales variaient de 4,1 à 5,8 deg/s, augmentant avec l'amplitude de la manœuvre.
• Validation de la Traçabilité : L'analyse a confirmé des écarts systématiques entre $\delta_{cmd}$ et $\delta_{exec}$ lors des phases de saturation et de renversement. Ignorer ces écarts introduirait un biais dans la SI. De plus, la forte corrélation ($\rho = 0,98$) entre les vitesses de lacet enregistrées et reconstruites a validé la cohérence physique interne du simulateur et du pipeline de données.

Signification
L'article soutient qu'en fondant les essais en mer virtuels sur l'actionnement réalisé plutôt que sur les entrées commandées, le cadre proposé génère des jeux de données qui sont non seulement conformes aux normes internationales, mais aussi physiquement cohérents. Cette traçabilité est essentielle pour surmonter les limites des SI actuelles basées sur la simulation, où l'hypothèse d'une réponse parfaite des actionneurs conduit à des modèles hydrodynamiques biaisés. Le cadre soutient le développement de jumeaux numériques et de systèmes de contrôle autonomes plus fiables en garantissant que les données de manœuvre sous-jacentes reflètent fidèlement les contraintes physiques et les réalités d'exécution de l'USV.