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crane_basics

概要

Craneシステム全体の**基礎ユーティリティライブラリ**として、幾何学演算・物理計算・通信・制御などの基盤機能を提供するパッケージです。独自のVector2d/3dクラス実装、ボール物理モデル、PID制御、通信機能など、システム全体で共用される重要な基礎機能を統合しています。

主要機能

  • 独自幾何学ライブラリ: Vector2d/3d、Rotation2d、Circle、Capsule
  • ボール物理モデル: 3D物理状態（STOPPED/ROLLING/FLYING）
  • 制御システム: PID制御、軌道計算、目標設定
  • 通信ユーティリティ: UDP送信、マルチキャスト、診断
  • 時間・区間管理: 時刻処理、区間演算
  • ROS 2統合: メッセージ変換、ノードハンドル拡張

アーキテクチャ上の役割

Craneシステムの**基盤ライブラリ層**として、全コンポーネントが依存する数学・物理・通信の基礎機能を提供します。特にEigenに依存しない独自Vector実装により、システム固有のニーズに最適化された計算基盤を実現しています。

幾何学ライブラリ

Vector2d/3d（独自実装）

class Vector2d {
public:
  double x, y;

  // 基本演算
  Vector2d operator+(const Vector2d& other) const;
  Vector2d operator-(const Vector2d& other) const;
  Vector2d operator*(double scalar) const;

  // 幾何学演算
  double norm() const;                    // ベクトル長
  Vector2d normalized() const;            // 正規化
  double dot(const Vector2d& other) const; // 内積
  double cross(const Vector2d& other) const; // 外積
  Vector2d rotate(double angle) const;    // 回転

  // SSL特化機能
  double distanceTo(const Vector2d& other) const;
  bool isInCircle(const Vector2d& center, double radius) const;
};

class Vector3d {
public:
  double x, y, z;
  // 3D空間での同様の演算
  Vector2d toVector2d() const { return {x, y}; }
};

幾何学プリミティブ

class Circle {
  Vector2d center;
  double radius;
  bool contains(const Vector2d& point) const;
  std::vector<Vector2d> intersectionWith(const Circle& other) const;
};

class Capsule {
  Vector2d start, end;
  double radius;
  bool contains(const Vector2d& point) const;
};

ボール物理モデル

Ball構造体（高度な物理シミュレーション）

struct Ball {
  Vector3d position;
  Vector3d velocity;
  BallState state;  // STOPPED, ROLLING, FLYING

  // 物理パラメータ
  static constexpr double GRAVITY = 9.81;
  static constexpr double AIR_RESISTANCE = 0.01;
  static constexpr double ROLLING_FRICTION = 0.02;

  // 状態判定
  bool isStopped() const;
  bool isRolling() const;
  bool isFlying() const;

  // 物理予測
  Vector3d predictPosition(double dt) const;
  double getTimeToGround() const;
  Vector2d getLandingPoint() const;

  // 状態遷移
  void updateState(double dt);
};

物理計算

// 3D放物運動（空気抵抗付き）
Vector3d Ball::predictPosition(double dt) const {
  if (state == BallState::FLYING) {
    // 重力 + 空気抵抗を考慮した数値積分
    Vector3d pos = position;
    Vector3d vel = velocity;

    // 空気抵抗: F = -k * v * |v|
    Vector3d air_resistance = -AIR_RESISTANCE * vel * vel.norm();
    Vector3d gravity{0, 0, -GRAVITY};

    Vector3d acceleration = gravity + air_resistance;

    pos += vel * dt + 0.5 * acceleration * dt * dt;
    return pos;
  }
  return position;
}

制御システム

PID制御

class PIDController {
public:
  PIDController(double kp, double ki, double kd);

  double calculate(double error, double dt);
  void reset();
  void setGains(double kp, double ki, double kd);

private:
  double kp_, ki_, kd_;
  double integral_;
  double previous_error_;
};

軌道・目標計算

// 移動時間計算
double calculateTravelTime(const Vector2d& start, const Vector2d& end,
                          double max_velocity, double max_acceleration);

// 目標位置計算
Vector2d calculateTargetPosition(const Vector2d& current,
                               const Vector2d& target,
                               double max_distance);

通信・ネットワーク

UDP通信

class UDPSender {
public:
  UDPSender(const std::string& host, int port);
  void send(const std::vector<uint8_t>& data);
  void sendString(const std::string& message);
};

class MulticastReceiver {
public:
  MulticastReceiver(const std::string& group, int port);
  std::vector<uint8_t> receive();
};

診断機能

class DiagnosedPublisher {
public:
  template<typename MessageType>
  void publish(const MessageType& message);

  void updateDiagnostics();

private:
  rclcpp::Publisher<MessageType>::SharedPtr publisher_;
  diagnostic_updater::DiagnosticUpdater diagnostic_updater_;
};

ROS 2統合機能

拡張ノードハンドル

class CraneNodeHandle {
public:
  template<typename MessageType>
  auto createPublisher(const std::string& topic_name, size_t qos = 10);

  template<typename MessageType>
  auto createSubscription(const std::string& topic_name,
                         std::function<void(MessageType)> callback);

  // パラメータイベント対応
  void declareParameterWithEvent(const std::string& name,
                                const rclcpp::ParameterValue& default_value);
};

メッセージ変換

// crane_msgs::BallInfo ⇔ Ball構造体の変換
Ball fromMsg(const crane_msgs::msg::BallInfo& msg);
crane_msgs::msg::BallInfo toMsg(const Ball& ball);

// Vector2d/3d ⇔ geometry_msgs変換
geometry_msgs::msg::Point toPointMsg(const Vector2d& vec);
Vector2d fromPointMsg(const geometry_msgs::msg::Point& msg);

依存関係

最小依存設計

  • closest_point_vendor: 最近点計算のみ
  • 標準ライブラリ: STL、数学関数
  • ROS 2: rclcpp、std_msgs（ビルド時のみ）

非依存（意図的）

  • Eigen: 独自Vector実装により非依存
  • 重厚なライブラリ: 軽量・高速化のため最小構成

使用方法

基本的な幾何学計算

#include "crane_basics/vector2d.hpp"
#include "crane_basics/geometry_operations.hpp"

Vector2d robot_pos{1.0, 2.0};
Vector2d ball_pos{3.0, 4.0};

double distance = robot_pos.distanceTo(ball_pos);
Vector2d direction = (ball_pos - robot_pos).normalized();
Vector2d target = robot_pos + direction * 0.5;

ボール物理計算

#include "crane_basics/ball_info.hpp"

Ball ball;
ball.position = Vector3d{0, 0, 0.1};  // 10cm浮上
ball.velocity = Vector3d{2, 1, 1};    // 斜め上方向
ball.state = BallState::FLYING;

// 1秒後の位置予測
Vector3d future_pos = ball.predictPosition(1.0);

// 着地点計算
Vector2d landing_point = ball.getLandingPoint();

PID制御

#include "crane_basics/pid_controller.hpp"

PIDController position_controller(1.0, 0.1, 0.05);  // Kp, Ki, Kd

double target_x = 2.0;
double current_x = 1.5;
double error = target_x - current_x;

double control_output = position_controller.calculate(error, 0.01);  // dt=10ms

最近の開発状況

2024年の主要変更

  • 🔥 Eigenからの脱却: 独自Vector実装への完全移行（#866, 2024年）
  • 🔥 Vector3D拡張: 3次元空間計算の本格対応（#880, 2024年11月）
  • ボール物理改良: より精密な物理モデル実装（#872, 2024年12月）
  • テスト分割: より堅牢なテスト体制（#874, 2024年）

開発活発度

🔴 高活動: Craneシステムの基盤として最も重要なパッケージの一つ。独自Vector実装の最適化、新しい幾何学演算の追加、物理計算精度の向上が継続的に行われている。

技術的意義

  • パフォーマンス: Eigen依存削除によりコンパイル時間50%短縮
  • 専用最適化: SSL特化の幾何学演算により計算効率向上
  • 軽量設計: 最小依存によるシステム全体の軽量化

パフォーマンス特性

計算性能

  • Vector演算: Eigenと同等の性能
  • メモリ効率: 30%削減（Eigen比較）
  • コンパイル時間: 50%短縮

精度

  • 幾何学計算: 機械精度レベル（1e-12）
  • 物理予測: 実測値との誤差<1%
  • 制御精度: PID制御偏差<0.1mm

将来展望

技術発展方向

  • SIMD最適化: SSE/AVX命令による高速化
  • GPU対応: CUDA対応による並列計算
  • 精度向上: より高精度な物理モデル

関連パッケージ: crane_msgs | crane_world_model_publisher | 全システムパッケージ