대한민국 육군 차세대 K3 유·무인 복합전차(Next-Gen MBT) 130mm 활강포 자동장전장치 고속 캐러셀 이송 및 1,000Hz 0-Alloc C# 메카트로닉스 제어 엔진

제1장: 5차 다항식(Quintic Polynomial) S-커브 궤적 및 동특성 수식

이송 시작 시각 $t_0 = 0$, 목표 시간 $T$, 시작 위치 $s_0$, 목표 위치 $s_f$일 때 위치, 속도, 가속도의 경계 조건 $s(0)=s_0, s(T)=s_f, \dot{s}(0)=\dot{s}(T)=0, \ddot{s}(0)=\ddot{s}(T)=0$을 만족하는 5차 다항식 모션 프로파일은 다음과 같습니다:

제2장: 험지 기동 진동 상쇄 및 약실 축선 정렬 알고리즘

차체 주행 진동 $\mathbf{a}_{ ext{hull}}(t)$이 포탑 서보로 전달될 때 포미(Breech)와 래머(Rammer) 사이의 상대 변위를 0으로 수렴시키는 보상 제어는 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# K3 자동장전 제어 엔진 아키텍처

1ms 실시간 루프에서 5차 다항식을 해석하고 캐러셀 각도와 래머 피스톤을 무할당 계산하는 순수 C# 코어입니다:

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.K3Autoloader
{
    /// <summary>
    /// 자동장전장치 센서 텔레메트리 (0-Alloc stack-only)
    /// </summary>
    public readonly struct AutoloaderTelemetry
    {
        public readonly float CarouselAngleRad; // 탄약고 캐러셀 각도
        public readonly float RammerPosM;       // 래머 스트로크 위치 (0~1.4m)
        public readonly float RammerSpeedMps;   // 래머 이송 속도
        public readonly float MotorCurrentA;    // 래머 구동 모터 전류
        public readonly float BreechMisalignMm; // 약실-래머 축선 정렬 오차 (mm)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public AutoloaderTelemetry(float angle, float pos, float speed, float current, float misalign)
        {
            CarouselAngleRad = angle;
            RammerPosM = pos;
            RammerSpeedMps = speed;
            MotorCurrentA = current;
            BreechMisalignMm = misalign;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 자동장전 서보 제어 출력 구조체
    /// </summary>
    public readonly struct AutoloaderCommand
    {
        public readonly float TargetRammerPosM;   // 목표 래머 위치 (m)
        public readonly float CommandedCurrentA;  // 모터 전류 지령 (A)
        public readonly int AutoloaderState;      // 시퀀스 FSM 상태
        public readonly bool IsJammingProtected;  // 잼 차단 보호 활성화 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public AutoloaderCommand(float targetPos, float current, int state, bool jam)
        {
            TargetRammerPosM = targetPos;
            CommandedCurrentA = current;
            AutoloaderState = state;
            IsJammingProtected = jam;
        }
    }

    /// <summary>
    /// K3 차세대 전차 1,000Hz 0-Alloc 자동장전 메카트로닉스 제어 코어
    /// </summary>
    public ref struct K3AutoloaderMotionEngine
    {
        public const float RammerStrokeTotalM = 1.35f;  // 장전 스트로크 총 행정 1.35m
        public const float RamTimeSec = 0.65f;          // 전진 행정 소요시간 0.65초
        public const float MaxSafeMisalignMm = 1.20f;   // 최대 허용 축선 오차 1.2mm
        public const float OvercurrentJamLimitA = 45.0f;// 잼 판정 한계 전류 45A

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 결정론적 5차 다항식 S-커브 궤적 추종 및 모터 지령 산출
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static AutoloaderCommand UpdateCycle(
            in AutoloaderTelemetry tel,
            ref float cycleTimerSec,
            ref int fsmState)
        {
            // 1. 축선 오차 안전 검사 (오차 초과 시 대기)
            if (tel.BreechMisalignMm > MaxSafeMisalignMm)
            {
                return new AutoloaderCommand(tel.RammerPosM, 0.0f, fsmState, false);
            }

            // 2. 전류 기반 잼(Jamming) 이상 감지
            if (fsmState == 1 && tel.MotorCurrentA > OvercurrentJamLimitA && tel.RammerSpeedMps < 0.15f)
            {
                // 즉시 래머 정지 및 후퇴 안전 모드로 전이
                fsmState = 99; // 오류 정지
                return new AutoloaderCommand(tel.RammerPosM, -10.0f, fsmState, true);
            }

            float targetPos = 0.0f;
            float cmdCurrent = 0.0f;

            // 3. FSM 시퀀스: 0:대기, 1:장전전진, 2:약실안착, 3:고속후퇴
            if (fsmState == 0)
            {
                // 장전 시작 트리거 가정
                fsmState = 1;
                cycleTimerSec = 0.0f;
            }

            if (fsmState == 1)
            {
                cycleTimerSec += 0.001f;
                float tau = Math.Clamp(cycleTimerSec / RamTimeSec, 0.0f, 1.0f);

                // 5차 다항식 S-커브 위치 계산: s = L * (10 tau^3 - 15 tau^4 + 6 tau^5)
                float poly = ((10.0f * tau - 15.0f * tau * tau + 6.0f * tau * tau * tau) * tau * tau * tau);
                targetPos = RammerStrokeTotalM * poly;

                // 위치 오차 기반 PD 서보 전류 산출
                float posErr = targetPos - tel.RammerPosM;
                cmdCurrent = Math.Clamp(posErr * 120.0f - (tel.RammerSpeedMps * 8.0f), -35.0f, 35.0f);

                if (tau >= 1.0f)
                {
                    fsmState = 2; // 약실 안착 완료
                    cycleTimerSec = 0.0f;
                }
            }
            else if (fsmState == 2)
            {
                // 약실 쇄전(Locking) 대기 (50ms)
                cycleTimerSec += 0.001f;
                targetPos = RammerStrokeTotalM;
                cmdCurrent = 2.0f; // 가압 유지

                if (cycleTimerSec >= 0.050f)
                {
                    fsmState = 3; // 래머 복귀 시작
                    cycleTimerSec = 0.0f;
                }
            }
            else if (fsmState == 3)
            {
                // 래머 고속 원점 복귀 (0.40초)
                cycleTimerSec += 0.001f;
                float tau = Math.Clamp(cycleTimerSec / 0.40f, 0.0f, 1.0f);
                float poly = 1.0f - ((10.0f * tau - 15.0f * tau * tau + 6.0f * tau * tau * tau) * tau * tau * tau);
                targetPos = RammerStrokeTotalM * poly;

                float posErr = targetPos - tel.RammerPosM;
                cmdCurrent = Math.Clamp(posErr * 120.0f - (tel.RammerSpeedMps * 8.0f), -35.0f, 35.0f);

                if (tau >= 1.0f)
                {
                    fsmState = 4; // 사이클 완료
                }
            }

            return new AutoloaderCommand(targetPos, cmdCurrent, fsmState, false);
        }
    }
}

제4장: 2022 개정 교육과정 연계 교과 융합 지도안 (교사용 가이드)