Arena CONCEPT.IO

A Arena CONCEPT.IO utiliza o conceito de Gêmeo Digital (Digital Twin) estruturado sob a óptica dos Jogos Sérios (Serious Games) para criar um ambiente de simulação de alta fidelidade. O objetivo é transcender as ferramentas de pesquisa puramente numéricas ou bidimensionais, oferecendo um ecossistema visual interativo onde o mundo físico e o virtual coexistem e se sincronizam em tempo real.

O Gêmeo Digital via MQTT não é uma animação pré-programada, ele é um espelho dinâmico alimentado pela nossa infraestrutura de comunicação. O ambiente virtual atua como um “cliente” do Broker MQTT. Seja um algoritmo de roteamento testando rotas ou a telemetria de um drone físico voando de verdade, as coordenadas geográficas (latitude, longitude e altitude) são enviadas através de pacotes JSON e instanciadas instantaneamente na simulação, conectando diretamente os ativos físicos à malha de dados virtual.

Para traduzir essa enorme quantidade de dados brutos de telemetria em informações compreensíveis, a Arena utiliza o motor gráfico Unity. No contexto de Serious Games, essas ferramentas possuem propósitos como renderizar tráfego aéreo, aplicar colisões físicas e testar hipóteses táticas em um ambiente digital rigorosamente controlado e seguro.

Para garantir a mais alta precisão tática e imersão durante a gestão do espaço aéreo, a simulação não ocorre em um mapa genérico. O cenário da Arena CONCEPT.IO reproduz o espaço aéreo e a topografia do campus do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). A construção desse cenário 3D é realizada através de técnicas de fotogrametria, utilizando voos de captura com drones para mapear a área real e softwares de reconstrução tridimensional para gerar a malha topográfica e os prédios.

Ancoragem no Mundo Real Uma vez que a malha 3D do campus é gerada e otimizada, ela passa por um processo de calibração por GPS dentro do motor gráfico. Assim, quando o sistema recebe uma coordenada real de uma aeronave via MQTT, ela é posicionada no lugar exato correspondente no modelo 3D do ITA, garantindo fidelidade operacional absoluta.

Os elementos de simulação são as interfaces de hardware e software que compõem o ecossistema de Gêmeo Digital (Digital Twin) do laboratório. Eles têm a função de traduzir dados brutos e complexos de tráfego aéreo e algoritmos de roteamento em representações visuais interativas, permitindo que operadores e pesquisadores interajam com o cenário de forma intuitiva.

Diferentes missões exigem diferentes pontos de vista. Os elementos de simulação são divididos para fornecer duas perspectivas complementares:

• Visão Estratégica (Global): Utiliza interfaces físicas, como telas de toque e mesas tangíveis (estilo mapas 2D ou jogos Real-Time Strategy – RTS), ideais para comandantes que precisam gerenciar o tráfego aéreo de cima, visualizar múltiplas rotas e gerir restrições de espaço.
• Visão Tática (Imersiva): Utiliza headsets de Realidade Estendida (XR) para inserir o operador diretamente no cenário 3D. É ideal para percepção de profundidade, altitude e consciência situacional em primeira pessoa no campo.

Apesar de serem hardwares diferentes (telas, sensores, óculos VR/AR), todos os elementos de simulação operam de forma unificada. Se uma ação é realizada em uma interface física, ela é instantaneamente refletida na interface holográfica do outro usuário, garantindo consistência no estado da simulação.

Na Arena CONCEPT.IO, o ambiente visual é desenvolvido primariamente no motor gráfico Unity. O cenário virtualizado reproduz o espaço aéreo físico do laboratório e do campus através de malhas 3D georreferenciadas. Para garantir que as mesas e os óculos funcionem juntos sem gargalos de rede, todos os elementos de simulação da Arena atuam como clientes conectados ao nosso Broker MQTT, consumindo pacotes JSON padronizados com coordenadas reais de latitude, longitude e altitude.

A Mesa de Toque é uma interface colaborativa de grande formato focada na visualização estratégica e no controle global do cenário operacional. Ela permite que múltiplos operadores interajam com o espaço aéreo simulado utilizando apenas o toque, facilitando o planejamento de rotas e o gerenciamento de frotas de forma rápida e intuitiva.

Inspirada na dinâmica de interface dos jogos de Estratégia em Tempo Real (Real-Time Strategy – RTS), a Mesa de Toque apresenta o mapa georreferenciado em uma perspectiva superior (2D/Top-down). Os operadores podem tocar na tela para selecionar, arrastar, criar ou excluir entidades virtuais (como drones e aeronaves) com uma visão holística de todo o tráfego e das zonas de restrição.

Para transformar um display comercial convencional em uma mesa colaborativa interativa, utiliza-se uma tecnologia de sobreposição chamada Moldura de Toque Infravermelho (Infrared Touch Frame). Esta moldura cria uma grade invisível de feixes de luz infravermelha rente à tela. Quando o dedo do usuário interrompe esses feixes nos eixos X e Y, o hardware calcula a coordenada exata da interação com alta precisão e sem a necessidade de telas capacitivas caras.

No lado do software, o toque bidimensional do usuário na tela precisa ser traduzido para o mundo físico real. Para isso, o motor gráfico calcula a intersecção do toque usando um método matemático (conhecido como Raycasting). O sistema traça uma linha virtual a partir do ponto tocado na tela até colidir com a malha 3D do terreno, convertendo esse impacto em coordenadas geográficas precisas (Latitude e Longitude).

Na Arena CONCEPT.IO, a Mesa de Toque funciona como um nó interativo dentro do nosso ecossistema distribuído. Ela atua simultaneamente como assinante (recebendo a posição atualizada de todos os drones) e como publicadora no nosso Broker MQTT. Quando um operador toca e arrasta um drone na mesa, o sistema assume a autoridade daquela entidade e transmite pacotes de dados padronizados (JSON) para a rede, garantindo que a nova rota seja atualizada em tempo real para todos os outros elementos de simulação e dispositivos conectados.

A Interface XR é o componente de visualização tática e imersiva do ecossistema, permitindo que o operador saia da visão bidimensional das telas convencionais e interaja diretamente com o Gêmeo Digital em um espaço tridimensional. Utilizando tecnologias de Realidade Mista (MR), o sistema sobrepõe informações digitais complexas ao ambiente físico real da Arena.

Diferente das interfaces 2D, a Interface XR oferece uma percepção real de profundidade, altitude e escala. Isso é fundamental para a gestão do espaço aéreo, onde a consciência situacional depende da compreensão exata da separação vertical e horizontal entre aeronaves. O operador pode caminhar ao redor do cenário e visualizar trajetórias de voo em 3D, facilitando a identificação imediata de potenciais conflitos ou gargalos.

A interface é executada em headsets Meta Quest 3, utilizando a tecnologia de Passthrough colorido. Câmeras de alta resolução capturam o mundo real e o exibem dentro do visor, permitindo que elementos virtuais (mapas, drones, telemetria) sejam ancorados sobre mesas ou espaços físicos, criando uma “mesa holográfica” onde o digital e o físico coexistem.

Na Arena CONCEPT.IO, a Interface XR é desenvolvida em Unity utilizando o Meta XR SDK. Para garantir a precisão, o cenário 3D é georreferenciado e ancorado ao ambiente físico. Uma característica crucial é a sincronização: todas as aeronaves visualizadas pelo headset são instanciadas a partir de dados recebidos via MQTT. Se um operador na Mesa de Toque move um drone, a Interface XR atualiza a posição do holograma instantaneamente, garantindo que todos os participantes da arena compartilhem a mesma verdade operacional. 

A WebArena é o ambiente unificado de simulação do laboratório, inspirada fortemente na arquitetura de sistemas do WARA-PS (WASP Research Arena Public Safety), foi projetada para ser um portal de pesquisa altamente escalável. O seu núcleo atua como um hub central de comunicação (semelhante ao COM HUB do WARA-PS), responsável por orquestrar o fluxo contínuo de dados entre operadores humanos, simuladores lógicos e os agentes inseridos no espaço aéreo (como drones, eVTOLs e sensores).

A principal funcionalidade da WebArena reside em sua flexibilidade operacional, estruturada sob uma lógica de plugins ativados sob demanda. Para evitar que o sistema se torne pesado e inflexível, as funcionalidades não operam todas de uma só vez. Em vez disso, o usuário “pluga” apenas os módulos que necessita para um experimento específico. O Gestor UTM, por exemplo, é um desses plugins. Outros plugins podem incluir:

Injeção Climática: Módulos que adicionam ventos estocásticos e intempéries em tempo real.

Lógicas de Autonomia: Algoritmos específicos de Detecção e Desvio de obstáculos (DAA).

Simuladores de Terceiros: Como o Simulador de Provedor de Serviços (USS).

Essa dinâmica transforma a plataforma em uma “caixa de areia” (sandbox) universal, permitindo rodar desde simulações isoladas simples até cenários altamente complexos, sem alterar a arquitetura-base.

A WebArena é, por natureza, um ambiente multi-usuário e descentralizado. Diversos pesquisadores e operadores podem acessar a mesma rodada de simulação simultaneamente, assumindo diferentes papéis funcionais. Por exemplo: um pesquisador pode atuar como provedor do espaço aéreo no Simulador de Provedor, enquanto outros dois operam frotas de entrega rivais na mesma malha viária.

Para suportar essa interação, a interface da WebArena oferece painéis customizáveis. Cada operador pode configurar seu próprio dashboard, arrastando e agrupando “widgets” como listas de agentes ativos, gráficos de telemetria, feeds de vídeo simulado, árvores de delegação de tarefas (Task Specification Trees) e, claro, o próprio mapa 3D colaborativo.

 Gestor UTM (Unmanned Aircraft System Traffic Management) é um módulo de software em desenvolvimento concebido para atuar como um plugin da WebArena. Seu objetivo principal é simular e visualizar o funcionamento do futuro ecossistema de controle de tráfego aéreo de baixa altitude no Brasil (BR-UTM). Inicialmente, o ambiente virtual de testes está focado em reproduzir a infraestrutura e a topografia do espaço aéreo da região de São José dos Campos (SP).

O funcionamento do Gestor tem como base o Documento de Conceito de Operações (CONOPS) do BR-xTM e as simulações conduzidas pelo laboratório. Na prática, o sistema recria diferentes cenários operacionais para frotas de drones e eVTOLs. Estes cenários avaliam desde condições de voos não gerenciados, passando por tráfego com rotas estrategicamente separadas (os chamados “tubos 4D”), até a implementação de sistemas a bordo de detecção e desvio de obstáculos (DAA), inclusive sob a influência de perturbações reais, como ventos estocásticos. Isso permite visualizar e medir o comportamento das aeronaves e da rede sob diversas regras.

Para garantir que a simulação seja interativa e não apenas um visualizador passivo, o Gestor incluirá o desenvolvimento de um “Simulador de Provedor”. Através dessa funcionalidade, o usuário poderá assumir o papel ativo de um provedor de serviços do espaço aéreo (USS – UAS Service Supplier). Isso possibilita interagir diretamente com o sistema, permitindo que o operador solicite novos voos, gerencie rotas e autorizações, e lide com conflitos de tráfego aéreo em tempo real.

Além de ser uma plataforma visual, o Gestor UTM é proposto como uma ferramenta analítica de engenharia de sistemas. Sua arquitetura permitirá a validação dos requisitos operacionais e das normas de segurança. Essa validação pode ser realizada de duas formas:

• Em Tempo Real: Durante a execução da simulação, observando métricas de segurança, separação entre as aeronaves e acionamento de alertas de conflito;
• Pós-Simulação: Através de uma análise detalhada dos dados e logs gerados ao final de cada cenário, permitindo comprovar se as regras propostas são seguras e eficientes antes que ocorram implementações com aeronaves no mundo físico.

Em resumo, o Gestor UTM traduz regras abstratas e diretrizes complexas de tráfego aéreo em um ambiente visual interativo. Ele serve como uma ponte segura e tecnológica para testar, estressar e validar o futuro dos drones e eVTOLs no Brasil, de forma clara e compreensível para pesquisadores, indústria e pessoas de fora do laboratório.

Para elevar a fidelidade do nosso Gêmeo Digital a um novo patamar, o próximo estágio de desenvolvimento da Arena CONCEPT.IO envolve a injeção de variáveis climáticas em tempo real dentro da simulação. O objetivo é transcender a representação puramente espacial e criar um ambiente que responda ativamente à natureza.

Ao conectar a malha 3D a sensores e estações meteorológicas através do nosso backbone MQTT, o ambiente virtual (desenvolvido na Unity) será capaz de reproduzir instantaneamente as condições reais de vento, umidade e temperatura do campus. Isso permitirá aos pesquisadores estudar como essas intempéries afetam o comportamento aerodinâmico e a taxa de consumo de bateria das frotas de drones e futuras aeronaves autônomas.

Com essa nova camada climática, os comandantes poderão testar rotas e avaliar o risco de uma missão sob fortes rajadas de vento, tudo dentro do ambiente seguro e controlado das nossas interfaces Estratégicas (Mesa de Toque) e Táticas (Óculos XR), garantindo um planejamento preditivo de alta precisão antes mesmo de a aeronave física sair do chão.