50노트 초고속 무인수상정(USV) 수중익 캐비테이션 능동 억제 플랩 및 압력 피크 완화 C# SIMD 서보 엔진

3. C# .NET 9.0 Zero-Allocation 고주파(10kHz) 수중익 서보 엔진

본 C# 엔진은 가비지 컬렉터(GC) 지연 없는 고정밀 제어를 위해 `ref struct`와 하드웨어 내장 SIMD 가속을 사용하여 압력 센서 어레이 데이터를 실시간 처리합니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.Defense.Hydrodynamics
{
    /// <summary>
    /// 50노트 초고속 USV 수중익 표면 8채널 압력 센서 원격 측정 패킷 (Zero-Allocation)
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 4)]
    public readonly struct HydrofoilPressureTelemetry
    {
        public readonly float TimestampSeconds;
        public readonly float FreeStreamVelocity; // m/s (50 knots = 25.72 m/s)
        public readonly float AmbientPressureKPa;   // p_inf (kPa)
        public readonly float FoilAngleOfAttackRad; // alpha (rad)
        public readonly Vector256<float> SensorPressuresKPa; // 8개 국소 압력 탭

        public HydrofoilPressureTelemetry(
            float timestamp, float velocity, float ambientPress, float alpha,
            Vector256<float> pressures)
        {
            TimestampSeconds = timestamp;
            FreeStreamVelocity = velocity;
            AmbientPressureKPa = ambientPress;
            FoilAngleOfAttackRad = alpha;
            SensorPressuresKPa = pressures;
        }
    }

    /// <summary>
    /// Rayleigh-Plesset 기반 기포 붕괴 충격 완화 및 능동 플랩 지령 제어 엔진
    /// </summary>
    public sealed class HydrofoilCavitationActiveServoEngine
    {
        private const float WaterDensity = 1025.0f; // 해수 밀도 (kg/m^3)
        private const float VaporPressureKPa = 2.34f; // 20도 포화증기압 (kPa)
        private const float CriticalSigma = 0.42f; // 공동화 발생 임계치
        private const float FlapGainKp = 0.045f;
        private const float FlapGainKd = 0.0018f;

        private float _previousFlapAngleDeg;
        private float _previousError;
        private float _integratedVolume;

        public HydrofoilCavitationActiveServoEngine()
        {
            _previousFlapAngleDeg = 0.0f;
            _previousError = 0.0f;
            _integratedVolume = 0.0f;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining | MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]
        public void ComputeActiveFlapServo(
            in HydrofoilPressureTelemetry telemetry,
            out float commandedFlapAngleDeg,
            out float estimatedCavitationIndex,
            out float maxPressureGradientKPa)
        {
            float uInf = telemetry.FreeStreamVelocity;
            float qInf = 0.5f * WaterDensity * (uInf * uInf) * 0.001f; // 동압 (kPa)
            float pInf = telemetry.AmbientPressureKPa;

            // 1. 전체 유동 캐비테이션 수 산출
            float currentSigma = (pInf - VaporPressureKPa) / MathF.Max(qInf, 1.0f);
            estimatedCavitationIndex = currentSigma;

            // 2. SIMD 벡터화: 8채널 압력 센서 최솟값 탐색 및 증기압 차이 연산
            Vector256<float> pVec = telemetry.SensorPressuresKPa;
            Vector256<float> vPv = Vector256.Create(VaporPressureKPa);

            // 증기압 미달 구역 확인 (P < P_v)
            Vector256<float> diff = Avx.Subtract(pVec, vPv);

            // 8채널 최저 압력 추출
            Span<float> pSpan = stackalloc float[8];
            MemoryMarshal.Write(MemoryMarshal.AsBytes(pSpan), in pVec);

            float minPressure = float.MaxValue;
            float maxGrad = 0.0f;

            for (int i = 0; i < 8; i++)
            {
                if (pSpan[i] < minPressure) minPressure = pSpan[i];
                if (i > 0)
                {
                    float grad = MathF.Abs(pSpan[i] - pSpan[i - 1]);
                    if (grad > maxGrad) maxGrad = grad;
                }
            }
            maxPressureGradientKPa = maxGrad;

            // 3. 기포 체적 급팽창 지수 및 양력 급락 위험도 평가
            float cavitationDeficit = MathF.Max(0.0f, VaporPressureKPa - minPressure);
            float error = (currentSigma < CriticalSigma) 
                ? (CriticalSigma - currentSigma) + cavitationDeficit * 0.15f
                : -0.05f;

            // 4. 고주파 10,000Hz PD 능동 플랩 제어 신호 계산
            float dError = error - _previousError;
            _previousError = error;

            float deltaFlap = (FlapGainKp * error) + (FlapGainKd * dError);

            // 플랩 각도 포화 한계 (-8도 ~ +15도)
            float targetAngle = _previousFlapAngleDeg - deltaFlap * 57.2958f;
            targetAngle = Math.Clamp(targetAngle, -8.0f, 15.0f);

            _previousFlapAngleDeg = targetAngle;
            commandedFlapAngleDeg = targetAngle;
        }
    }
}