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

Sintesi Tecnica: Prove in Mare Virtuali Tracciabili nel Simulatore di Robotica Marina MARUS

Definizione del Problema
L'identificazione accurata delle derivate idrodinamiche è fondamentale per il controllo e la navigazione autonoma dei Veicoli Superficiali Non Manovrati (USV). Sebbene le prove in mare fisiche (Cerchio di Volta e Zig-Zag) rappresentino lo standard per la valutazione della manovrabilità secondo le linee guida dell'International Maritime Organization (IMO) e dell'International Towing Tank Conference (ITTC), esse sono spesso limitate da elevati costi, rischi per la sicurezza e variabilità ambientale. Al contrario, la fluidodinamica computazionale (CFD) offre un'elevata fedeltà, ma manca della capacità in tempo reale richiesta per la sperimentazione dell'autonomia.

Gli esistenti simulatori orientati alla robotica (ad esempio, Gazebo basato su ROS, MARUS basato su Unity) forniscono una via di mezzo pratica, ma soffrono di un limite critico: tipicamente trattano gli input di controllo comandati come equivalenti all'attuazione realizzata. Questa assunzione non tiene conto della saturazione degli attuatori, dei ritardi di esecuzione e dei vincoli fisici, in particolare nei USV a spinta differenziale che non possiedono un timone fisico. Di conseguenza, i dataset di Identificazione di Sistema (SI) basati su simulatore contengono spesso bias che compromettono l'affidabilità della stima delle derivate idrodinamiche e della calibrazione del Digital Twin (DT).

Metodologia
Il documento presenta un'estensione del simulatore open-source Marine Robotics Unity Simulator (MARUS) per creare un framework di "Prove in Mare Virtuali Tracciabili". La metodologia integra un'architettura di controllo ibrida in cui ROS gestisce la logica di manovra di alto livello (sequenze TC e Zig-Zag) mentre Unity gestisce l'integrazione della fisica, l'idrodinamica e l'attuazione.

Le principali innovazioni metodologiche includono:

1. Separazione Comando–Esecuzione: Il framework distingue esplicitamente tra il comando equivalente al timone ordinato ($\delta_{cmd}$) e il proxy equivalente al timone eseguito ($\delta_{exec}$). Per i USV a spinta differenziale, $\delta_{exec}$ è calcolato in tempo reale dalla disparità di spinta tra portata e dritta ($T_{stbd} - T_{port}$), invece di assumere che l'input comandato sia perfettamente raggiunto.
2. Tempistica Fondata sull'Esecuzione: L'inizio della manovra ($t_0$) e le rotte di riferimento sono definiti sulla base del superamento della soglia del segnale di attuazione eseguito ($\delta_{exec}$), piuttosto che sull'intento del controllore. Ciò garantisce che tutte le metriche cinematiche siano allineate con la realtà fisica del veicolo.
3. Estrazione di Metriche Standardizzate: Il framework automatizza l'estrazione di metriche allineate a IMO/ITTC, inclusi Avanzata, Trasferimento e Diametro Tattico per i Cerchi di Volta (TC), e Angoli di Overshoot ($\alpha_1, \alpha_2$) e Velocità di Imbardata di Picco per i test Zig-Zag (ZZ).
4. Condizionamento dei Dati Pronto per la SI: Una pipeline di post-elaborazione valida la coerenza interna (confrontando i tassi di imbardata registrati dal motore fisico con i tassi ricostruiti dalla differenziazione della rotta) e organizza i dati in dataset pronti per la SI contenenti segnali di doppia attuazione ($\delta_{cmd}, \delta_{exec}$) e stati del veicolo.

Principali Contributi
Il documento delinea tre contributi primari:

• Framework Automatizzato: Un flusso di lavoro standardizzato e automatizzato all'interno di MARUS per condurre prove in mare virtuali TC e ZZ che aderiscono alle procedure IMO/ITTC.
• Logging Tracciabile dell'Attuazione: Una nuova struttura dati per i USV a spinta differenziale che registra la discrepanza tra l'attuazione comandata e quella realizzata, affrontando un noto fallimento nei SI basati su simulatore dove gli input comandati sono erroneamente trattati come attuazione raggiunta.
• Post-Elaborazione Auditabile: Un flusso di lavoro che produce dataset conformi e focalizzati sulla SI, consentendo una stima più affidabile delle derivate idrodinamiche e la calibrazione del Digital Twin preservando la tracciabilità dell'attuazione fisica.

Risultati
Casi di studio sono stati condotti su un USV simulato di 300 kg utilizzando il framework proposto. I risultati hanno dimostrato:

• Ripetibilità e Conformità: Tutte le manovre soddisfacevano i criteri IMO MSC.137(76). Per i test TC, l'avanzata normalizzata e il diametro tattico hanno mostrato lievi asimmetrie (differenze del 3,9% e del 4,6–4,7% tra portata e dritta), attribuite a squilibri di spinta a livello di esecuzione piuttosto che a errori di controllo.
• Prestazioni Zig-Zag: Gli eccessi di overshoot per i test $\pm10^\circ$ e $\pm20^\circ$ sono rimasti al di sotto di $1^\circ$, ampiamente entro i limiti IMO. Le velocità di imbardata di picco sono variate da 4,1 a 5,8 deg/s, scalando con l'entità della manovra.
• Validazione della Tracciabilità: L'analisi ha confermato deviazioni sistematiche tra $\delta_{cmd}$ e $\delta_{exec}$ durante le fasi di saturazione e inversione. Ignorare queste deviazioni introdurrebbe un bias nella SI. Inoltre, la forte correlazione ($\rho = 0,98$) tra i tassi di imbardata registrati e quelli ricostruiti ha validato la coerenza fisica interna del simulatore e della pipeline di dati.

Significatività
Il documento sostiene che, fondando le prove in mare virtuali sull'attuazione realizzata piuttosto che sugli input comandati, il framework proposto genera dataset che non solo sono conformi agli standard internazionali, ma sono anche fisicamente coerenti. Questa tracciabilità è essenziale per superare i limiti degli attuali SI basati su simulatore, dove l'assunzione di una risposta perfetta dell'attuatore porta a modelli idrodinamici distorti. Il framework supporta lo sviluppo di Digital Twin e sistemi di controllo autonomi più affidabili garantendo che i dati di manovra sottostanti riflettano accuratamente i vincoli fisici e le realtà di esecuzione del USV.