전기유변 유체(ERF) 전계 유도 상전이 & 1,000Hz 0-Alloc C# 초정밀 햅틱 피드백 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.SmartFluids
{
    /// <summary>
    /// ERF 햅틱 액추에이터 텔레메트리 구조체 (16-byte 스택 전용)
    /// </summary>
    public readonly ref struct ErfHapticState
    {
        public readonly float CommandedForceN;     // 지령 반력 (N)
        public readonly float ElectricFieldKvPerMm;// 인가 전기장 (kV/mm)
        public readonly float YieldStressKPa;      // 유발 전단 항복 응력 (kPa)
        public readonly float HighVoltagePwmDuty;  // 고전압 PWM 듀티 (0.0~1.0)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public ErfHapticState(float force, float field, float yield, float duty)
        {
            CommandedForceN = force;
            ElectricFieldKvPerMm = field;
            YieldStressKPa = yield;
            HighVoltagePwmDuty = duty;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz Zero-Allocation 전기유변 유체(ERF) 햅틱 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct ErfHapticServoEngine
    {
        private readonly float _winslowAlpha;      // Winslow 전계 비례 계수 (kPa / (kV/mm)^2)
        private readonly float _electrodeGapMm;    // 전극 간극 (mm)
        private readonly float _geometryFactor;    // 기구학적 항복력-전단응력 변환 계수 (N/kPa)
        private float _lastEField;                 // 직전 전기장 세기

        private const float MaxEFieldLimit = 3.5f; // 절연 파괴(Breakdown) 방지 한계 (kV/mm)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public ErfHapticServoEngine(float alpha, float gapMm, float geomFactor)
        {
            _winslowAlpha = alpha;
            _electrodeGapMm = gapMm;
            _geometryFactor = geomFactor;
            _lastEField = 0.0f;
        }

        /// <summary>
        /// 1ms 주기(1,000Hz) 가상 물리 엔진 충돌 위치 기반 요구 반력 산출 및 고전압 전계 변조 (0-Alloc)
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public ErfHapticState Update1Khz(float userPosMm, float userVelMmPerS, float virtualWallPosMm, float wallStiffnessNPerMm)
        {
            // 1) 가상 벽면 침투 깊이(Penetration) 산출
            float penetrationMm = userPosMm - virtualWallPosMm;
            float desiredForceN = 0.0f;

            if (penetrationMm > 0.0f)
            {
                // 침투 시 가상 스프링-댐퍼 반력 합성
                float dampingFactor = 0.05f;
                desiredForceN = (penetrationMm * wallStiffnessNPerMm) + (userVelMmPerS * dampingFactor);
                desiredForceN = MathF.Max(0.0f, desiredForceN);
            }

            // 2) 요구 항복 응력 tau_y (kPa) = DesiredForce / GeometryFactor
            float requiredYieldKPa = desiredForceN / _geometryFactor;

            // 3) Winslow 역학식으로부터 요구 전기장 E = sqrt(tau_y / alpha) 역산
            float targetEField = MathF.Sqrt(requiredYieldKPa / _winslowAlpha);
            targetEField = Math.Clamp(targetEField, 0.0f, MaxEFieldLimit);

            // 4) 1차 슬루레이트 필터 적용 (고전압 전원장치 충방전 시정수 보상)
            _lastEField += (targetEField - _lastEField) * 0.4f;

            float actualYieldKPa = _winslowAlpha * (_lastEField * _lastEField);
            float pwmDuty = _lastEField / MaxEFieldLimit;

            return new ErfHapticState(desiredForceN, _lastEField, actualYieldKPa, pwmDuty);
        }
    }
}