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

Resumo Técnico: Testes de Mar Virtuais Rastreáveis no Simulador de Robótica Marinha Unity

Definição do Problema
A identificação precisa de derivadas hidrodinâmicas é fundamental para o controle e a navegação autônoma de Veículos de Superfície Não Tripulados (USVs). Embora os testes de mar físicos (Círculo de Giro e Zig-Zag) sejam o padrão para avaliar a manobrabilidade, conforme as diretrizes da Organização Marítima Internacional (IMO) e da Conferência Internacional de Tanques de Teste (ITTC), eles são frequentemente limitados por altos custos, riscos de segurança e variabilidade ambiental. Por outro lado, a dinâmica de fluidos computacional (CFD) oferece alta fidelidade, mas carece da capacidade de tempo real necessária para a experimentação de autonomia.

Os simuladores orientados à robótica existentes (ex: Gazebo baseado em ROS, MARUS baseado em Unity) fornecem um meio-termo prático, mas sofrem de uma limitação crítica: eles tipicamente tratam os comandos de controle aplicados como equivalentes à atuação realizada. Essa suposição falha ao não contabilizar a saturação do atuador, atrasos de execução e restrições físicas, particularmente em USVs de empuxo diferencial onde não existe um leme físico. Consequentemente, os conjuntos de dados de Identificação de Sistemas (SI) baseados em simuladores costem conter vieses que comprometem a confiabilidade da estimativa de derivadas hidrodinâmicas e da calibração de Gêmeos Digitais (DT).

Metodologia
O artigo apresenta uma extensão ao simulador de código aberto Marine Robotics Unity Simulator (MARUS) para criar uma estrutura de "Teste de Mar Virtual Rastreável". A metodologia integra uma arquitetia de controle híbrida onde o ROS lida com a lógica de manobra de alto nível (sequências de TC e Zig-Zag) enquanto o Unity gerencia a integração física, hidrodinâmica e atuação.

As principais inovações metodológicas incluem:

1. Separação Comando–Execução: A estrutura distingue explicitamente entre o comando equivalente ao leme ordenado ($\delta_{cmd}$) e o proxy de leme executado ($\delta_{exec}$). Para USVs de empuxo diferencial, $\delta_{exec}$ é calculado em tempo real a partir do desequilíbrio de empuxo de bombordo e estibordo ($T_{stbd} - T_{port}$), em vez de assumir que o comando aplicado é perfeitamente alcançado.
2. Temporização Baseada na Execução: O início da manobra ($t_0$) e as referências de proa são definidos com base no cruzamento de limiar do sinal de atuação executado ($\delta_{exec}$), em vez da intenção do controlador. Isso garante que todas as métricas cinemáticas estejam alinhadas com a realidade física da embarcação.
3. Extração de Métricas Padronizadas: A estrutura automatiza a extração de métricas alinhadas com IMO/ITTC, incluindo Avanço, Transferência e Diâmetro Tático para Círculos de Giro (TC), e Ângulos de Sobressalto ($\alpha_1, \alpha_2$) e Taxas de Guinada de Pico para testes de Zig-Zag (ZZ).
4. Condicionamento de Dados Pronto para SI: Um pipeline de pós-processamento valida a consistência interna (comparando taxas de guinada registradas pelo motor de física contra taxas reconstruídas por diferenciação de proa) e organiza os dados em conjuntos de dados prontos para SI contendo sinais de dupla atuação ($\delta_{cmd}, \delta_{exec}$) e estados do veículo.

Principais Contribuições
O artigo delineia três contribuições primárias:

• Estrutura Automatizada: Um fluxo de trabalho padronizado e automatizado dentro do MARUS para a realização de testes de mar virtuais de TC e ZZ que aderem aos procedimentos IMO/ITTC.
• Registro de Atuação Rastreável: Uma estrutura de dados inovadora para USVs de empuxo diferencial que registra o descompasso entre a atuação comandada e a realizada, abordando um modo de falha conhecido em SI baseada em simuladores, onde os comandos são incorretamente tratados como atuação alcançada.
• Pós-Processamento Auditável: Um fluxo de trabalho que produz conjuntos de dados focados em SI e conformes, permitindo uma estimativa de derivadas hidrodinâmicas mais confiável e calibração de Gêmeos Digitais ao preservar a rastreabilidade da atuação física.

Resultos
Estudos de caso foram conduzidos em um USV simulado de 300 kg usando a estrutura proposta. Os resultados demonstraram:

• Repetibilidade e Conformidade: Todas as manobras satisfizeram os critérios da IMO MSC.137(76). Para testes de TC, o avanço normalizado e o diâmetro tático mostraram assimetrias menores (diferenças de 3,9% e 4,6–4,7% entre bombordo e estibordo), atribuídas a desequilíbrios de empuxo no nível de execução, em vez de erros de controle.
• Desempenho de Zig-Zag: Os excessos de sobressalto para testes de $\pm10^\circ$ e $\pm20^\circ$ permaneceram abaixo de $1^\circ$, bem dentro dos limites da IMO. As taxas de guinada de pico variaram de 4,1 a 5,8 deg/s, escalando com a magnitude da manobra.
• Validação de Rastreabilidade: A análise confirmou desvios sistemáticos entre $\delta_{cmd}$ e $\delta_{exec}$ durante as fases de saturação e reversão. Ignorar esses desvios introduziria viés na SI. Além disso, a forte correlação ($\rho = 0,98$) entre as taxas de guinada registradas e reconstruídas validou a consistência física interna do simulador e do pipeline de dados.

Significância
O artigo afirma que, ao fundamentar os testes de mar virtuais na atuação realizada em vez de nos comandos aplicados, a estrutura proposta gera conjuntos de dados que não são apenas conformes com padrões internacionais, mas também fisicamente consistentes. Esta rastreabilidade é essencial para superar as limitações das atuais SI baseadas em simuladores, onde a suposição de resposta perfeita do atuador leva a modelos hidrodinâmicos enviesados. A estrutura apoia o desenvolvimento de Gêmeos Digitais e sistemas de controle autônomos mais confiáveis, garantindo que os dados de manobra subjacentes reflitam com precisão as restrições físicas e as realidades de execução do USV.