자기유변(MR) 댐퍼(Magnetorheological Damper) 빙엄 소성 유체 동역학 & 1,000Hz 0-Alloc C# 반능동 현가장치 진동 제어 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.VehicleDynamics.MrDamper
{
    /// 

    /// MR 댐퍼 차량 동역학 센서 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct MrdTelemetry
    {
        public readonly float BodyVerticalAccMps2;  // [m/s^2] 차체 수직 가속도
        public readonly float SuspensionRelativeDispMm; // [mm] 서스펜션 변위 스트로크
        public readonly float SuspensionRelativeVelMps; // [m/s] 상대 압축/인장 속도
        public readonly float DamperTempC;          // [C] MR 유체 온도
        public readonly float CurrentCoilCurrentAmps;// [A] 현재 코일 인가 전류

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MrdTelemetry(
            float bodyVerticalAccMps2,
            float suspensionRelativeDispMm,
            float suspensionRelativeVelMps,
            float damperTempC,
            float currentCoilCurrentAmps)
        {
            BodyVerticalAccMps2 = bodyVerticalAccMps2;
            SuspensionRelativeDispMm = suspensionRelativeDispMm;
            SuspensionRelativeVelMps = suspensionRelativeVelMps;
            DamperTempC = damperTempC;
            CurrentCoilCurrentAmps = currentCoilCurrentAmps;
        }
    }

    /// 

    /// MR 댐퍼 감쇠력 및 코일 전류 연산 결과 구조체
    /// 
    public readonly ref struct MrdControlResult
    {
        public readonly float CommandedCoilCurrentAmps; // [A] 목표 코일 전류 (0~2.5A)
        public readonly float CommandedCoilPwm;         // [0.0~1.0] PWM 듀티비
        public readonly float CalculatedDampingForceKn; // [kN] 총 발생 감쇠력
        public readonly float YieldStressKpa;           // [kPa] 빙엄 유체 전단 항복 응력
        public readonly bool IsSkyhookActive;           // 스카이훅 감쇠 조건 활성화 플래그
        public readonly bool IsEndStopRisk;             // 범프 스톱 충돌 위험 감지

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MrdControlResult(
            float commandedCoilCurrentAmps,
            float commandedCoilPwm,
            float calculatedDampingForceKn,
            float yieldStressKpa,
            bool isSkyhookActive,
            bool isEndStopRisk)
        {
            CommandedCoilCurrentAmps = commandedCoilCurrentAmps;
            CommandedCoilPwm = commandedCoilPwm;
            CalculatedDampingForceKn = calculatedDampingForceKn;
            YieldStressKpa = yieldStressKpa;
            IsSkyhookActive = isSkyhookActive;
            IsEndStopRisk = isEndStopRisk;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 MR 댐퍼 빙엄 소성 서보 제어 엔진
    /// 
    public ref struct MrDamperSuspensionEngine
    {
        private const float SkyhookGainC = 3500.0f; // [N*s/m] 가상 스카이훅 댐핑 계수
        private const float MaxCoilCurrent = 2.5f;   // [A] 최대 허용 전류
        private const float PistonAreaM2 = 0.0035f;  // [m^2] 피스톤 면적
        private const float GapHeightM = 0.001f;     // [m] 1mm 유동 간극
        private const float GapLengthM = 0.040f;     // [m] 40mm 간극 길이

        private float integratedBodyVelocity;

        /// 

        /// 1ms 주기 차체 속도 적분, 스카이훅 판정 및 코일 전류 제어 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MrdControlResult Update(in MrdTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 차체 절대 수직 속도 수치 적분 (1ms dt + 리셋 필터)
            integratedBodyVelocity += telemetry.BodyVerticalAccMps2 * 0.001f;
            integratedBodyVelocity *= 0.985f; // 드리프트 방지 고역 통과 감쇠

            float vBody = integratedBodyVelocity;
            float vRel = telemetry.SuspensionRelativeVelMps;

            // 2. 스카이훅 조건 검사: v_body * v_rel >= 0 일 때 댐핑력 인가
            bool skyhookCondition = (vBody * vRel) >= 0.0f;
            float desiredForceN = 0.0f;

            if (skyhookCondition)
            {
                desiredForceN = MathF.Abs(SkyhookGainC * vBody);
            }
            else
            {
                desiredForceN = 150.0f; // 최소 기본 기계적 감쇠
            }

            // 3. 서스펜션 한계(Bump Stop) 충돌 방어 강제 감쇠
            bool endStopRisk = MathF.Abs(telemetry.SuspensionRelativeDispMm) > 75.0f;
            if (endStopRisk)
            {
                desiredForceN = 8000.0f; // 최대 비상 감쇠력 8kN
            }

            desiredForceN = Math.Clamp(desiredForceN, 100.0f, 8500.0f);

            // 4. 요구 감쇠력으로부터 빙엄 항복 응력 및 코일 전류 역산
            // F_tau ~= 3 * tau_y * L * Ap / h  ==>  tau_y = (F_des - F_viscous) * h / (3 * L * Ap)
            float baseViscousForceN = 800.0f * MathF.Abs(vRel);
            float controllableForceN = MathF.Max(0.0f, desiredForceN - baseViscousForceN);

            float reqYieldStressPa = (controllableForceN * GapHeightM) / (3.0f * GapLengthM * PistonAreaM2);
            float yieldStressKpa = reqYieldStressPa * 1e-3f;
            yieldStressKpa = Math.Clamp(yieldStressKpa, 0.0f, 65.0f);

            // 5. 전류-항복응력 매핑 (tau_y ~= 26.0 * I^1.4)
            // I = (tau_y / 26.0)^(1 / 1.4)
            float targetCurrent = MathF.Pow(yieldStressKpa / 26.0f, 0.714f);
            targetCurrent = Math.Clamp(targetCurrent, 0.0f, MaxCoilCurrent);

            float pwmDuty = targetCurrent / MaxCoilCurrent;

            return new MrdControlResult(
                commandedCoilCurrentAmps: targetCurrent,
                commandedCoilPwm: pwmDuty,
                calculatedDampingForceKn: desiredForceN * 1e-3f,
                yieldStressKpa: yieldStressKpa,
                isSkyhookActive: skyhookCondition,
                isEndStopRisk: endStopRisk
            );
        }
    }
}