초·중·고 정보 과학·물리(동역학) 교육과 국방 첨단 유·무인 복합 체계(MUM-T) 무인기 편대 군집 제어: ZeliDesk의 온디바이스 순수 C# 분산 합의(Consensus) 알고리즘, 레이놀즈 보이드(Reynolds Boids) 3대 유동 규칙, 0-Alloc SIMD 가상 리더-추종자(Leader-Follower) 1,000Hz 실시간 편대 비행 시뮬레이터 아키텍처

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.MUMT
{
    /// 

    /// 개별 무인기(UCAV) 항법 상태
    /// 
    public struct DroneState
    {
        public Vector3 Position;
        public Vector3 Velocity;
        public Vector3 FormationOffset; // 리더 기준 상대 좌표
        public bool HasLeaderLink;       // 리더 직접 수신 가능 여부
    }

    /// 

    /// ZeliDesk 온디바이스 순수 C# MUM-T 군집 편대 분산 합의(Consensus) 솔버
    /// 
    public static class SwarmConsensusEngine
    {
        public const float Kp = 2.5f;             // 위치 합의 이득
        public const float Kv = 3.2f;             // 속도 정렬 이득
        public const float SafeDistance = 15.0f;  // 최소 충돌 회피 반경 (m)
        public const float MaxAcceleration = 88.2f; // 최대 허용 가속도 (9G = 88.2 m/s^2)

        /// 

        /// 단일 UCAV 에이전트의 3차원 분산 편대 합의 제어 가속도 계산 (0-Alloc)
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static Vector3 ComputeControlAcceleration(
            int droneIndex,
            ReadOnlySpan<DroneState> swarm,
            Vector3 leaderPos,
            Vector3 leaderVel,
            Vector3 leaderAcc)
        {
            DroneState me = swarm[droneIndex];
            Vector3 pErrSum = Vector3.Zero;
            Vector3 vErrSum = Vector3.Zero;
            Vector3 repelForce = Vector3.Zero;

            int neighborCount = 0;

            // 1. 이웃 드론들과의 국소 분산 합의 및 충돌 회피(Separation)
            for (int j = 0; j < swarm.Length; j++)
            {
                if (j == droneIndex) continue;

                DroneState other = swarm[j];
                Vector3 relPos = me.Position - other.Position;
                float dist = relPos.Length();

                if (dist < 0.1f) dist = 0.1f; // 0-Division Guard

                // 근거리 충돌 회피 반발력 (역제곱 인공 포텐셜 장)
                if (dist < SafeDistance)
                {
                    float repMag = (SafeDistance - dist) / dist;
                    repelForce += relPos * (repMag * 30.0f);
                }

                // 가시 통신 반경(150m) 내 이웃과의 합의
                if (dist < 150.0f)
                {
                    // 위치 편차: (p_i - delta_i) - (p_j - delta_j)
                    Vector3 myVirtualOrigin = me.Position - me.FormationOffset;
                    Vector3 otherVirtualOrigin = other.Position - other.FormationOffset;
                    pErrSum += (myVirtualOrigin - otherVirtualOrigin);

                    // 속도 정렬: (v_i - v_j)
                    vErrSum += (me.Velocity - other.Velocity);
                    neighborCount++;
                }
            }

            // 2. 가상 리더(유인기) 직접 추종 항
            Vector3 leaderPErr = Vector3.Zero;
            Vector3 leaderVErr = Vector3.Zero;

            if (me.HasLeaderLink)
            {
                Vector3 targetPos = leaderPos + me.FormationOffset;
                leaderPErr = me.Position - targetPos;
                leaderVErr = me.Velocity - leaderVel;
            }

            // 3. 분산 2차 합의 가속도 합성
            Vector3 consensusAcc = leaderAcc
                - (pErrSum * Kp + leaderPErr * (Kp * 1.5f))
                - (vErrSum * Kv + leaderVErr * (Kv * 1.5f))
                + repelForce;

            // 4. 비행체 구조적 가속도 한계(9G) 클램핑
            float accMag = consensusAcc.Length();
            if (accMag > MaxAcceleration)
            {
                consensusAcc = consensusAcc * (MaxAcceleration / accMag);
            }

            return consensusAcc;
        }
    }
}