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

Technische Samenvatting: Traceerbare Virtuele Zeeproeven in de Marine Robotics Unity Simulator

Probleemstelling
Nauwkeurige identificatie van hydrodynamische afgeleiden is fundamenteel voor de besturing en autonome navigatie van onbemande vaartuigen (USV's). Hoewel fysieke zeeproeven (draaicirkel en zig-zag) de standaard zijn voor het beoordelen van manoeuvreerbaarheid volgens richtlijnen van de International Maritime Organization (IMO) en de International Towing Tank Conference (ITTC), worden deze vaak beperkt door hoge kosten, veiligheidsrisico's en omgevingsvariabiliteit. Daartegenover staat Computational Fluid Dynamics (CFD), dat een hoge getrouwheid biedt maar niet de real-time capaciteit heeft die vereist is voor experimenten met autonomie.

Bestaande robotica-georiënteerde simulators (bijv. ROS-gebaseerde Gazebo, Unity-gebaseerde MARUS) bieden een praktisch middenpad, maar lijden aan een kritieke beperking: ze behandelen gecommandeerde besturingsinputs doorgaans als gelijk aan gerealiseerde actuatie. Deze assumptie houdt geen rekening met verzadiging van actuatoren, uitvoeringsvertragingen en fysieke beperkingen, met name bij differential-thrust USV's waar geen fysiek roer aanwezig is. Bijgevolg bevatten door simulators gegenereerde System Identification (SI) datasets vaak biases die de betrouwbaarheid van de schatting van hydrodynamische afgeleiden en de kalibratie van Digital Twins (DT) in gevaar brengen.

Methodologie
Het artikel presenteert een uitbreiding van de open-source Marine Robotics Unity Simulator (MARUS) om een framework voor "Traceerbare Virtuele Zeeproeven" te creëren. De methodologie integreert een hybride control-architectuur waarbij ROS de hoog-niveau manoeuvre-logica afhandelt (TC en Zig-Zag sequenties), terwijl Unity de fysica-integratie, hydrodynamica en actuatie beheert.

Belangrijke methodologische innovaties zijn:

1. Scheiding tussen Commando en Uitvoering: Het framework maakt expliciet onderscheid tussen de gevraagde roer-equivalent commando ($\delta_{cmd}$) en de uitgevoerde roer-equivalent proxy ($\delta_{exec}$). Voor differential-thrust USV's wordt $\delta_{exec}$ in real-time berekend op basis van de onbalans tussen de bakboord- en stuurboordstuwkracht ($T_{stbd} - T_{port}$), in plaats van aan te nemen dat de gecommandeerde input perfect wordt bereikt.
2. Uitvoerings-gebaseerde Timing: Manoeuvre-aanvang ($t_0$) en referentiekoersen worden gedefinieerd op basis van de drempelwaarde-overschrijding van het uitgevoerde actuatiesignaal ($\delta_{exec}$), in plaats van de intentie van de controller. Dit zorgt ervoor dat alle kinematische metrieken in lijn zijn met de fysieke realiteit van de reactie van het vaartuig.
3. Gestandaardiseerde Metrieken Extractie: Het framework automatiseert de extractie van IMO/ITTC-conforme metrieken, inclusioneel Advance, Transfer en Tactical Diameter voor Draaicirkels (TC), en Overshoot Angles ($\alpha_1, \alpha_2$) en Peak Yaw Rates voor Zig-Zag (ZZ) tests.
4. SI-Klaar Data Conditionering: Een post-processing pipeline valideert de interne consistentie (het vergelijken van gelogde gier-snelheden uit de physics engine met gereconstrueerde snelheden via koersdifferentiatie) en organiseert data in SI-klare datasets die duale actuatiesignalen ($\delta_{cmd}, \delta_{exec}$) en vaartuigtoestanden bevatten.

Belangrijkste Bijdragen
Het artikel beschrijft drie primaire bijdragen:

• Geautomatiseerd Framework: Een gestandaardiseerde, geautomatiseerde workflow binnen MARUS voor het uitvoeren van virtuele TC en ZZ zeeproeven die voldoet aan de IMO/ITTC-procedures.
• Actuatie-Traceerbare Logging: Een nieuwe datastructuur voor differential-thrust USV's die de discrepantie logt tussen de gecommandeerde en gerealiseerde actuatie, waarmee een bekend falen in simulator-gebaseerde SI wordt geadresseerd waarbij gecommandeerde inputs onterecht als bereikte actuatie worden beschouwd.
• Auditeerbare Post-Processing: Een workflow die conforme, SI-gerichte datasets produceert, wat een betrouwbaardere schatting van hydrodynamische afgeleiden en Digital Twin-kalibratie mogelijk maakt door de traceerbaarheid van fysieke actuatie te waarborgen.

Resultaten
Casestudies werden uitgevoerd op een gesimuleerde 300 kg USV met behulp van het voorgestelde framework. De resultaten toonden aan:

• Repetibiliteit en Conformiteit: Alle manoeuvres voldeden aan de IMO MSC.137(76) criteria. Voor TC-tests vertoonden de genormaliseerde advance en tactical diameter kleine asymmetrieën (3,9% en 4,6–4,7% verschillen tussen bakboord en stuurboord), toegeschreven aan uitvoering-niveau stuwkracht-onbalansen in plaats van control-fouten.
• Zig-Zag Prestaties: Overshoot excessen voor zowel $\pm10^\circ$ als $\pm20^\circ$ tests bleven onder de $1^\circ$, ruim binnen de IMO-limieten. Peak yaw rates varieerden van 4,1 tot 5,8 deg/s, schalend met de manoeuvre-amplitude.
• Traceerbaarheid Validatie: Analyse bevestigde systematische afwijkingen tussen $\delta_{cmd}$ en $\delta_{exec}$ tijdens verzadigings- en omkeerfasen. Het negeren van deze afwijkingen zou een bias introduceren in de SI. Bovendien valideerde een sterke correlatie ($\rho = 0,98$) tussen gelogde en gereconstrueerde gier-snelheden de interne fysieke consistentie van de simulator en de datapipeline.

Significantie
Het artikel stelt dat door virtuele zeeproeven te funderen in gerealiseerde actuatie in plaats van gecommandeerde inputs, het voorgestelde framework datasets genereert die niet alleen voldoen aan internationale standaarden, maar ook fysiek consistent zijn. Deze traceerbaarheid is essentieel om de beperkingen van huidige simulator-gebaseerde SI te overwinnen, waarbij de assumptie van een perfecte actuatorrespons leidt tot bevooroordeelde hydrodynamische modellen. Het framework ondersteunt de ontwikkeling van betrouwbaardere Digital Twins en autonome controlesystemen door te garanderen dat de onderliggende manoeuvreerdata de fysieke beperkingen en de uitvoering-realiteit van de USV nauwkeurig weerspiegelt.