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

Resumo Técnico: Marinarium: Uma Instalação Experimental Modular para Robótica de Campo Reprodutível em Domínios Marítimos e Análogos ao Espaço

Definição do Problema
A pesquisa em robótica de campo nos domínios marítimo e espacial enfrenta um "gap" persistente entre simulações de baixo custo e baixa fidelidade e implantações em alto mar ou orbitais de alto custo e alto risco. Embora os testes em águas abertas ofereçam realismo, eles sofrem com baixa observabilidade, repetibilidade dependente do clima e dificuldade em adquirir o ground truth (verdade de campo) preciso para aprendizado de máquina. Por outro conjunto, as simulações de desktop falham em capturar interações hidrodinâmicas, acústicas e eletromagnéticas complexas, levando a um "gap Sim2Real" significativo que dificulta a implantação de políticas treinadas em simulação. As instalações de tanques de água existentes carecem frequentemente da instrumentação necessária, capacidades multidomínio (ar, superfície, subaquático) e integração estreita com gêmeos digitais ou laboratórios de robótica espacial para apoiar a pesquisa sistemática em identificação de sistemas, colaboração heterogênea e validação entre domínios.

Metodologia: A Instalação Marinarium
Para abordar essas limitações, os autores apresentam o Marinarium, uma instalação experimental modular e independente no Royal Institute of Technology (KTH). A instalação foi projetada como um banco de testes intermediário de baixo custo, servindo de ponte entre a simulação e a implantação em campo. Seus componentes principais incluem:

• Infraestrutura Física: Um bacia de água de $9 \times 5 \times 3$ m com um volume aéreo de $9 \times 5 \times 2$ m acima da superfície. Possui um teto totalmente retrátil para permitir operações tanto protegidas quanto ao ar livre (clima real).
• Instrumentação: A instalação é equipada com dois sistemas de Captura de Movimento (MoCap): um sistema Qualisys (8 câmeras Arqus) para rastreamento subaquático e um sistema Optitrack (até 16 câmeras Flex 13) para rastreamento aéreo. Isso permite a estimativa de estado 6-DoF completa com ground truth.
• Otimização Acústica: Para mitigar os efeitos de multicaminho comuns em tanques de água, o fundo da bacia é coberto com 3 toneladas de cascalho marinho de 8–16 mm, permitindo a comunicação acústica (por exemplo, taxa de transmissão de 70% com modems Delphis) que seria impossível em tanques de paredes lisas.
• Gêmeo Digital: Uma réplica digital da instalação é implementada no simulador SMaRCSim, conectada à infraestrutura física via uma ponte ROS 2-Unity. Isso permite a sincronização de estado em tempo real e testes de Software-in-the-Loop (SIL).
• Integração com Robótica Espacial: A instalação é fisicamente adjacente ao laboratório de robótica espacial do KTH (que abriga o banco de testes de mancal de ar ATMOS). Ambas as instalações compartilam um domínio ROS 2 e utilizam pilhas de software idênticas (PX4/Pixhawk no BlueROV2 Heavy e free-flyers ATMOS), permitindo a comparação direta entre domínios.

Principais Contribuições e Validação Experimental
O artigo valida a utilidade da instalação através de quatro estudos representativos em robótica de campo:

1. Identificação de Sistemas Baseada em Dados (SYSID):

   • Método: Os autores coletaram conjuntos de dados de alta fidelidade de um BlueROV2 no tanque usando ground truth de MoCap. Eles compararam quatro abordas de modelagem: um Integrador Duplo (DI), um modelo físico padrão de Fossen, uma Rede Neural Informada pela Física (PINc) e um modelo baseado no operador de Koopman (EDMDc) utilizando Funções de Base Radial (RBF).
   • Resultado: O modelo Koopman EDMDc alcançou o menor Erro Quadrático Médio (RMSE) em horizontes de predição de 1, 10 e 100 passos, superando tanto o baseline baseado em física quanto o modelo PINc. O estudo demonstra que o ambiente controlado permite a coleta de dados densos e de baixo ruído necessários para a identificação de sistemas baseada em teoria de operadores.

2. Robótica Multidomínio Heterogênea:

   • Método: Uma missão de rendezvous foi executada envolvendo uma frota heterogênea: um AUV subaquático (SAM), um USV de superfície (FloatSAM) e um UAV aéreo (Crazyflie).
   • Resultado: A missão demonstrou com sucesso a comunicação entre domínios (links WiFi, 5G e acústicos) e comportamento coordenado, onde o UAV pousou no USV enquanto o AUV acoplou abaixo dele. Isso valida a instalação como uma arena viável para testar estressadamente frotas de múltiplos robôs antes da implantação em mar aberto.

3. Ponte do Gap Sim2Real:

   • Método: Usando o gêmeo digital no SMaRCSim, os autores treinaram um Perceptron Multicamadas (MLP) para aprender a dinâmica residual ($\delta$) entre o veículo simulado e o veículo real (ground truth do MoCap). Este residual foi injetado no simulador para corrigir o modelo físico.
   • Resultado: O simulador corrigido pelo residual mostrou melhorias significativas nos erros de predição de posição e velocidade linear ao longo de longos horizontes de tempo em comparação com a simulação não corrigida. No entanto, os autores observam que os erros de velocidade angular permaneceram significativos e ocorreram instabilidades durante manobras de alta aceleração, indicando áreas para futuras melhorias de robustez.

4. Validação de Autonomia de Naves Espaciais:

   • Método: Experimentos pareados foram conduzidos onde um BlueROV2 subaquático (atuando como um substituto de flutuabilidade neutra) e o banco de teste de mancal de ar planar ATMOS executaram a mesma tarefa de inspeção autônoma definida por Lógica Temporal de Sinais (STL) sob uma arquitetia de controle idêntica (MPC Não Linear).
   • Resultado: Ambas as plataformas rastrearam a trajetória de referência com perfis de movimento semelhantes, validando o uso de substitutos subaquáticos para testar algoritmos de guia e controle de naves espaciais.

Significância e Alegações
O artigo afirma que o Marinarium fornece um ambiente único, reproduzível e instrumentado que estreita o gap entre simulação e realidade. Sua significância reside em:

• Democratização: Oferecer uma alternativa de baixo custo e modular às instalações de mar aberto massivas e escassas, tornando a pesquisa rigorosa em robótica de campo acessível a grupos acadêmicos.
• Sinergia entre Domínios: Ser a única instalação conhecida que combina MoCap subaquático e acima da água, um teto retrátil para exposição ao clima, um fluxo de trabalho de gêmeo digital publicado e integração estreita com um laboratório de robótica espacial.
• Avanço Metodológico: Demonstrar que ambientes de tanques controlados são essenciais para a identificação de sistemas baseada em dados e transferência Sim2Real, que muitas vezes são impraticáveis ou impossíveis de alcançar apenas com testes em mar aberto ou simulação.

Os autores concluem que, embora o Marinarium não substitua os testes em mar aberto ou orbitais, ele serve como um passo intermediário crítico que reduz o risco de desenvolvimento, acelera a iteração e permite a validação de pilhas de autonomia complexas através dos domínios marítimo e análogo ao espaço.