대한민국 해병대 KAAV 해상 침수 감지 및 1,000Hz 0-Alloc C# 빌지 펌프(Bilge Pump) 부력 복원 제어 엔진

1. 장갑차 부체 정역학 및 자유표면효과 메타센터 모델

총 배수량 $\nabla$, 부심 높이 $\overline{KB}$, 수선면 2차 모멘트 $I_{xx}$, 유입수 체적 $V_{\text{bilge}}$에 대한 유효 메타센터 높이 $\overline{GM}_{\text{eff}}$:

선체 롤 경사각 $\phi$에 대한 복원 모멘트 $M_{\text{rest}}(t)$ 및 횡경사 회복식:

2. 4채널 빌지 펌프 차등 배수 서보 제어식

각 웰별 수위 오차 $h_k$, 선체 롤 각속도 $\dot{\phi}$에 대한 각 펌프 PWM 지령 $u_{\text{pump},k}^*$:

3. 1,000Hz 0-Alloc SIMD C# KAAV 부력 복원 제어 엔진

1밀리초 주기로 4개 웰 수위 및 IMU 자세를 감시하여 펌프 모터를 독립 구동하는 무할당 C# 코어입니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.AmphibiousVehicle
{
    /// 

    /// KAAV 선체 침수 센서 및 자세 텔레메트리 (Stack 전용)
    /// 
    public readonly ref struct BilgeFloodingTelemetry
    {
        public readonly float WaterLevelForwardLeftMm;  // 전좌 빌지 웰 수위 (mm)
        public readonly float WaterLevelForwardRightMm; // 전우 빌지 웰 수위 (mm)
        public readonly float WaterLevelAftLeftMm;      // 후좌 빌지 웰 수위 (mm)
        public readonly float WaterLevelAftRightMm;     // 후우 빌지 웰 수위 (mm)
        public readonly float RollAngleDeg;             // 선체 롤 경사각 (도)
        public readonly float PitchAngleDeg;            // 선체 피치 각도 (도)

        public BilgeFloodingTelemetry(
            float fl, float fr, float al, float ar, float roll, float pitch)
        {
            WaterLevelForwardLeftMm = fl;
            WaterLevelForwardRightMm = fr;
            WaterLevelAftLeftMm = al;
            WaterLevelAftRightMm = ar;
            RollAngleDeg = roll;
            PitchAngleDeg = pitch;
        }
    }

    /// 

    /// 4채널 빌지 펌프 PWM 출력
    /// 
    public readonly ref struct BilgePumpOutput
    {
        public readonly float PumpDutyForwardLeft;      // 전좌 펌프 PWM (0~100%)
        public readonly float PumpDutyForwardRight;     // 전우 펌프 PWM (0~100%)
        public readonly float PumpDutyAftLeft;          // 후좌 펌프 PWM (0~100%)
        public readonly float PumpDutyAftRight;         // 후우 펌프 PWM (0~100%)
        public readonly bool IsCapsizingRiskDetected;   // 전복 위험 경보 여부
        public readonly float EstimatedDrainRateLpm;    // 총 배수율 (L/min)

        public BilgePumpOutput(
            float fl, float fr, float al, float ar, bool risk, float drainRate)
        {
            PumpDutyForwardLeft = fl;
            PumpDutyForwardRight = fr;
            PumpDutyAftLeft = al;
            PumpDutyAftRight = ar;
            IsCapsizingRiskDetected = risk;
            EstimatedDrainRateLpm = drainRate;
        }
    }

    /// 

    /// KAAV 1,000Hz 0-Alloc C# 부력 복원 엔진
    /// 
    public static class KaavBilgePumpControlEngine
    {
        private const float TriggerWaterLevelMm = 25.0f; // 펌프 가동 임계 수위
        private const float MaxDrainPerPumpLpm = 600.0f; // 펌프당 최대 배수량

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static BilgePumpOutput RegulateBuoyancy(
            in BilgeFloodingTelemetry telemetry)
        {
            // 각 웰별 독립 PWM 산출 (수위에 비례 + 롤/피치 기울기 보상)
            float fl = ComputeDuty(telemetry.WaterLevelForwardLeftMm, telemetry.RollAngleDeg, -1.0f);
            float fr = ComputeDuty(telemetry.WaterLevelForwardRightMm, telemetry.RollAngleDeg, 1.0f);
            float al = ComputeDuty(telemetry.WaterLevelAftLeftMm, telemetry.RollAngleDeg, -1.0f);
            float ar = ComputeDuty(telemetry.WaterLevelAftRightMm, telemetry.RollAngleDeg, 1.0f);

            float totalDuty = (fl + fr + al + ar) / 400.0f;
            float totalDrainRate = totalDuty * (MaxDrainPerPumpLpm * 4.0f);

            // 롤 각도가 12도 초과이거나 후방 수위가 150mm 초과 시 전복 위험 판정
            bool risk = MathF.Abs(telemetry.RollAngleDeg) > 12.0f || 
                        telemetry.WaterLevelAftLeftMm > 150.0f || 
                        telemetry.WaterLevelAftRightMm > 150.0f;

            return new BilgePumpOutput(fl, fr, al, ar, risk, totalDrainRate);
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        private static float ComputeDuty(float levelMm, float rollDeg, float sign)
        {
            if (levelMm < TriggerWaterLevelMm) return 0.0f;

            float duty = (levelMm - TriggerWaterLevelMm) * 1.5f;
            // 기울어진 쪽에 가중치 부여
            if (rollDeg * sign > 0.0f)
            {
                duty += (rollDeg * sign) * 4.5f;
            }

            return Math.Clamp(duty, 20.0f, 100.0f);
        }
    }
}

4. 파고 2.5m 해상 도하 및 침수 복원 시험 데이터