crane_physics¶

Header-only physics simulation and robot modeling utility package¶

Craneシステムの**物理計算・シミュレーションライブラリ**として、ボール物理モデル、ロボット運動学、PID制御、軌道計算などの物理・制御系機能を提供するパッケージです。リアルタイム（60-100Hz）制御ループに最適化された設計で、高精度な戦略立案を支えています。

主要機能¶

🏀 ボール物理モデル¶

3D状態ベースシミュレーション: STOPPED/ROLLING/FLYING状態の自動遷移
高度な軌道予測: 重力・空気抵抗を考慮した放物運動計算
物理パラメータ: 0.5 m/s²減速度、設定可能な重力定数
予測メソッド: 位置・速度予測、停止時間計算

🤖 ロボット動力学¶

運動プロファイル: 最適移動時間のための台形速度プロファイル
物理定数: 60mmロボット半径、90mmドリブラー距離
移動時間計算: 簡単・高度なモーション計画サポート
ボール接触検知: マイクロ秒精度の接触タイミング

🎯 戦略ツール¶

ハンガリアンアルゴリズム: 最適ロボット-目標割り当て（O(n³)）
パス解析: 障害物検出とチップキック推奨
PID制御器: 積分ワインドアップ保護付きリアルタイム制御
ターゲットジオメトリ: 動的目標指定システム

アーキテクチャ上の役割¶

Craneシステムの**物理シミュレーション層**として、ボールやロボットの動きを予測し、戦略立案や経路計画に必要な物理計算を提供します。リアルタイムでの高精度な予測により、効果的なプレイ実行を可能にしています。

コアコンポーネント¶

ボール物理モデル (`ball_info.hpp`)¶

struct Ball {
    double deceleration = 0.5;    // 転がり減速度 (m/s²)
    double gravity = -9.81;       // 重力加速度 (m/s²)
    Point pos, vel;               // 2D位置・速度
    double pos_z, vel_z;          // 3D高度・垂直速度
    State state;                  // STOPPED/ROLLING/FLYING
};

主要メソッド:

getPredictedPosition(time_ahead) - 未来のボール位置
getStopTime() - ボール停止までの時間
isMovingTowards(target) - 方向性運動解析

物理状態遷移システム¶

ROLLING物理:

一定減速度モデル使用
停止時間予測: t_stop = v / deceleration
最大距離: d_max = v²/(2·deceleration)

FLYING物理（放物運動）:

重力付き3D軌道計算
地面交点検出
飛行→転がり状態のシームレス遷移

状態遷移:

高度・速度閾値に基づく自動状態検出
振動防止のヒステリシスベース切り替え

ロボット情報管理 (`robot_info.hpp`)¶

struct RobotInfo {
    uint8_t id;                    // ロボット識別子
    Pose2D pose;                   // 位置と向き
    Velocity2D vel;                // 線形・角速度
    BallContact ball_contact;      // ボール接触検出
};

物理定数:

ロボット半径: 0.060m（衝突検出用）
ドリブラー距離: 0.090m（中心からボール接触点）

移動時間計算 (`travel_time.hpp`)¶

台形運動プロファイル:

加速フェーズ: t₁ = (v_max - v₀) / a
巡航フェーズ: t₂ = d_remaining / v_max
減速フェーズ: t₃ = v_max / a

double getTravelTimeTrapezoidal(
    std::shared_ptr<RobotInfo> robot,
    Point target,
    double max_acceleration,
    double max_velocity
);

PID制御器 (`pid_controller.hpp`)¶

class PIDController {
    double setGain(double p, double i, double d, double max_int = -1.0);
    double update(double error, double dt);
};

機能:

積分ワインドアップ保護付き標準PID制御
ロボット運動制御に適した高精度制御

戦略計算ツール¶

ハンガリアンアルゴリズム (position_assignments.hpp):

計算量: O(n³)でのハンガリアンアルゴリズム
最適化: 総ユークリッド距離最小化
用途: フォーメーション制御、マルチロボット協調

パス解析 (pass.hpp):

通行路構築とチップキック判定
敵ロボットの妨害距離計算
必要チップ距離の推奨

統合ポイント¶

crane_geometryとの連携¶

using Point = Eigen::Vector2d;          // 2D位置
using Point3D = EigenVector3d;        // 3D位置
using Velocity2D = Eigen::Vector2d;     // 2D速度
using Segment = bg::model::segment<Point>;  // 線分
using Circle = crane::geometry::model::Circle<Point>;  // 円

Craneシステムでの使用¶

crane_world_model_publisher: 状態推定・ボール追跡
crane_robot_skills: モーション実行タイミング
crane_local_planner: 経路計画・軌道生成
crane_session_controller: マルチロボット協調

パフォーマンス特性¶

計算複雑度¶

ボール予測: 単純状態でO(1)、軌道サンプリングでO(n)
ハンガリアンアルゴリズム: nロボットでO(n³)
PID制御器: 制御サイクル毎にO(1)
パス解析: m敵ロボットでO(m)

リアルタイム性能¶

設計対象: 60-100Hz制御ループ
決定的計算時間: 予測可能な処理時間
組み込み適用: ロボット制御器での実行に適用

テスト¶

包括的な単体テスト：

ボール物理: 状態遷移、軌道予測、放物運動
ロボット動力学: 移動時間計算、運動プロファイル
PID制御器: ゲイン設定、積分クランプ、制御出力
位置割り当て: ハンガリアンアルゴリズム最適化

colcon test --packages-select crane_physics

物理定数・キャリブレーション¶

ボール物理パラメータ¶

減速度: 0.5 m/s²（芝フィールドでの転がり摩擦）
重力: -9.81 m/s²（標準地球重力）
高度閾値: 0.05m（飛行vs転がり検出）
速度閾値: 0.1 m/s（移動），0.05 m/s（停止）

ロボット物理特性¶

ロボット半径: 0.060m（90mm規則準拠）
ドリブラー距離: 0.090m（中心からボール接触）
最大速度: ~4.0 m/s（典型的ロボット性能）
最大加速度: ~2.0 m/s²（典型的ロボット性能）

関連パッケージ: crane_geometry | crane_world_model_publisher | crane_local_planner