로봇 시뮬레이션에서 중력과 충돌 처리는 물리 기반 상호작용을 현실감 있게 구현하는 데 필수적인 요소이다. Unity는 강력한 물리 엔진을 제공하여 이러한 요소들을 손쉽게 다룰 수 있게 해준다. 이 장에서는 Unity에서 중력을 설정하고 충돌을 처리하는 방법에 대해 상세히 다루겠다.

중력 설정

Unity의 물리 엔진은 기본적으로 중력을 지원하며, 이를 통해 로봇과 환경 간의 상호작용을 자연스럽게 구현할 수 있다. 중력은 Physics 설정을 통해 조절할 수 있다.

중력의 기본 개념

중력은 모든 물체에 작용하는 힘으로, 지구에서는 보통 $\mathbf{g} = \begin{pmatrix} 0 \\ -9.81 \\ 0 \end{pmatrix}$ m/s²의 값을 갖는다. Unity에서는 이 값을 통해 시뮬레이션 내의 모든 물체에 동일한 중력 효과를 적용한다.

Unity에서 중력 설정 방법

1. Physics 설정 열기:
2. 상단 메뉴에서 Edit > Project Settings를 선택한다.

3. 좌측 패널에서 Physics를 선택한다.

4. 중력 값 조정:

5. Gravity 항목에서 $\mathbf{g}$ 값을 설정할 수 있다.
6. 기본값은 $\begin{pmatrix} 0 \\ -9.81 \\ 0 \end{pmatrix}$ 이지만, 필요에 따라 변경할 수 있다.

csharp // 예제: 중력을 사용자 정의 값으로 설정 Physics.gravity = new Vector3(0, -9.81f, 0);

1. 중력의 방향과 크기 변경:
2. 중력의 방향을 변경하여 예를 들어, 수평 방향으로 중력을 적용할 수 있다.

csharp // 수평 방향으로 중력 설정 Physics.gravity = new Vector3(-9.81f, 0, 0);

물체별 중력 적용

기본적으로 모든 Rigidbody 컴포넌트가 중력의 영향을 받는다. 특정 물체에만 중력을 적용하거나 중력을 무시하려면 Rigidbody 설정을 조정해야 한다.

• 중력 무시하기:

csharp // Rigidbody 컴포넌트에서 중력 무시 설정 Rigidbody rb = GetComponent<Rigidbody>(); rb.useGravity = false;

• 중력 강도 조절: 특정 물체에 대한 중력의 영향을 조절하려면 추가적인 스크립트를 작성하여 힘을 가할 수 있다.

csharp void FixedUpdate() { Rigidbody rb = GetComponent<Rigidbody>(); Vector3 customGravity = new Vector3(0, -4.905f, 0); // 절반 중력 rb.AddForce(customGravity, ForceMode.Acceleration); }

충돌 처리

충돌 처리는 로봇과 환경 간의 물리적 상호작용을 정의하며, 이를 통해 로봇의 움직임과 반응을 현실감 있게 시뮬레이션할 수 있다. Unity는 다양한 충돌 감지 메커니즘을 제공하여 이를 지원한다.

충돌 감지의 기본 원리

Unity에서는 Collider와 Rigidbody 컴포넌트를 통해 충돌을 관리한다. Collider는 물체의 형태를 정의하고, Rigidbody는 물리적 속성을 부여한다.

• Collider 종류:
• Box Collider: 직육면체 형태
• Sphere Collider: 구 형태
• Capsule Collider: 캡슐 형태

• Mesh Collider: 임의의 메시 형태

• Rigidbody:

• 물리 엔진의 영향을 받는 물체에 부여
• 중력, 질량, 마찰력 등을 설정 가능

충돌 감지 설정

1. Collider 추가:
2. 게임 오브젝트에 적절한 Collider를 추가한다.

3. 예를 들어, 로봇의 각 부위에 Box Collider를 추가하여 충돌을 감지할 수 있다.

4. Rigidbody 추가:

5. 충돌 반응을 원한다면 Rigidbody 컴포넌트를 추가한다.

6. Rigidbody의 Is Kinematic 속성을 설정하여 물리 엔진의 영향을 받을지 여부를 결정한다.

7. 충돌 감지 이벤트:

8. 스크립트를 통해 충돌 이벤트를 처리할 수 있다.

csharp void OnCollisionEnter(Collision collision) { // 충돌 시 처리할 로직 Debug.Log("충돌 발생: " + collision.gameObject.name); }

충돌 물리 설정

충돌 시 물체 간의 반응을 조절하기 위해 물리적 속성을 설정할 수 있다.

• 마찰력(Friction):
• 물체 표면 간의 마찰을 설정한다.
• Physic Material을 생성하여 Dynamic Friction과 Static Friction 값을 조절한다.

```csharp // Physic Material 설정 예제 PhysicMaterial mat = new PhysicMaterial(); mat.dynamicFriction = 0.5f; mat.staticFriction = 0.5f; mat.frictionCombine = PhysicMaterialCombine.Average;

// Collider에 Physic Material 적용 Collider collider = GetComponent(); collider.material = mat; ```

• 탄성(Energy):
• 충돌 시 물체가 반발하는 정도를 설정한다.
• Physic Material의 Bounciness 값을 조절하여 반발력을 설정할 수 있다.

csharp // 탄성 설정 예제 mat.bounciness = 0.3f; mat.bounceCombine = PhysicMaterialCombine.Maximum;

충돌 처리 최적화

충돌 감지는 시뮬레이션의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있으므로, 최적화가 필요하다.

• 충돌 체커 최소화:

• 불필요한 충돌 체커를 제거하고 필요한 부분에만 Collider를 추가한다.

• 충돌 레이어 사용:

• Layer를 설정하여 특정 레이어 간의 충돌을 비활성화할 수 있다.

csharp // 레이어 충돌 설정 // Edit > Project Settings > Physics > Layer Collision Matrix에서 설정

• Collider 간소화:
• 복잡한 메시 콜라이더 대신 기본 도형 콜라이더를 사용하여 계산 부담을 줄이다.

연속 충돌 감지 (Continuous Collision Detection)

기본적으로 Unity의 물리 엔진은 불연속 충돌 감지(Discrete Collision Detection) 방식을 사용한다. 이는 프레임 간 물체의 위치를 확인하여 충돌을 감지하는 방식으로, 고속으로 이동하는 물체가 충돌을 놓칠 수 있는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 연속 충돌 감지(Continuous Collision Detection) 방식을 사용할 수 있다.

• 연속 충돌 감지의 필요성:
• 고속 물체의 충돌 누락 방지

• 더 정확한 충돌 반응 구현

• 설정 방법: Rigidbody 컴포넌트의 Collision Detection 속성을 변경하여 설정할 수 있다.

csharp // Rigidbody의 충돌 감지 모드를 연속으로 설정 Rigidbody rb = GetComponent<Rigidbody>(); rb.collisionDetectionMode = CollisionDetectionMode.Continuous;

• 충돌 감지 모드:
• Discrete: 기본 설정, 성능은 좋으나 고속 물체에서 충돌 누락 가능
• Continuous: 고속 물체의 충돌을 보다 정확하게 감지
• Continuous Dynamic: 동적 물체에 대해 더욱 정밀한 충돌 감지
• Continuous Speculative: 예측 기반 충돌 감지로 성능과 정확도의 균형을 맞춤

트리거(Collider Trigger) 사용

Collider 컴포넌트의 Is Trigger 속성을 활성화하면 해당 콜라이더는 물리적 충돌 대신 트리거 이벤트를 발생시킨다. 이는 물체가 충돌했을 때 물리적 반응을 일으키지 않고, 스크립트를 통해 특정 동작을 수행하고자 할 때 유용하다.

• 트리거의 활용 예:
• 로봇이 특정 영역에 진입했을 때 경고 표시
• 아이템 수집

• 자동 문 열림

• 설정 방법: Collider 컴포넌트의 Is Trigger 체크박스를 활성화한다.

csharp // 트리거 콜라이더 설정 예제 Collider collider = GetComponent<Collider>(); collider.isTrigger = true;

• 트리거 이벤트 처리: 트리거 이벤트는 OnTriggerEnter, OnTriggerStay, OnTriggerExit 메서드를 통해 처리할 수 있다.

```csharp void OnTriggerEnter(Collider other) { Debug.Log("트리거에 진입한 오브젝트: " + other.gameObject.name); // 추가 로직 구현 }

void OnTriggerExit(Collider other) { Debug.Log("트리거에서 벗어난 오브젝트: " + other.gameObject.name); // 추가 로직 구현 } ```

충돌 레이어 및 충돌 매트릭스

충돌 레이어를 사용하면 특정 레이어에 속한 물체 간의 충돌을 활성화하거나 비활성화할 수 있다. 이는 시뮬레이션의 성능을 최적화하고, 불필요한 충돌 계산을 줄이는 데 유용하다.

• 레이어 설정 방법:

• 레이어 추가:

  • 상단 메뉴에서 Edit > Project Settings > Tags and Layers로 이동한다.
  • 원하는 레이어를 추가한다.

• 게임 오브젝트에 레이어 할당:

  • 게임 오브젝트를 선택하고, 인스펙터 창에서 Layer 드롭다운을 통해 할당한다.

• 충돌 매트릭스 설정:

• Edit > Project Settings > Physics에서 Layer Collision Matrix를 조정하여 어떤 레이어 간의 충돌을 활성화할지 설정할 수 있다.

• 예를 들어, 로봇과 환경 레이어 간의 충돌만 활성화하고, 로봇 간의 충돌은 비활성화할 수 있다.

물리 성능 최적화 팁

• 단순한 콜라이더 사용: 복잡한 메시 콜라이더 대신, 가능한 한 기본 도형 콜라이더(Box, Sphere, Capsule 등)를 사용하여 계산 부담을 줄이다.

• 콜라이더 수 최소화: 필요한 부분에만 콜라이더를 추가하고, 불필요한 콜라이더는 제거한다.

• 물리 업데이트 주기 조절: Fixed Timestep을 조정하여 물리 업데이트의 빈도를 최적화할 수 있다. 이는 Edit > Project Settings > Time에서 설정할 수 있다.

• 충돌 레이어 활용: 위에서 설명한 레이어 매트릭스를 활용하여 불필요한 충돌 계산을 줄이다.

• LOD(Level of Detail) 적용: 물체의 거리에 따라 콜라이더의 복잡성을 조절하여 성능을 향상시킬 수 있다.

예제: 로봇과 지면 간의 충돌 처리

로봇이 지면과 충돌하여 안정적으로 서 있을 수 있도록 설정하는 예제를 살펴보겠다.

1. 지면 설정:
2. 평면(Plane) 게임 오브젝트를 생성하고, Box Collider를 추가한다.

3. Rigidbody 컴포넌트를 추가하되, Is Kinematic을 활성화하여 지면이 물리적 영향을 받지 않도록 설정한다.

4. 로봇 설정:

5. 로봇 모델에 Rigidbody와 적절한 Collider를 추가한다.

6. Rigidbody의 Mass, Drag, Angular Drag 값을 설정하여 로봇의 물리적 특성을 조절한다.

7. 충돌 감지 스크립트 추가:

8. 로봇에 스크립트를 추가하여 충돌 시 특정 동작을 수행하도록 설정한다.

```csharp using UnityEngine;

public class RobotCollision : MonoBehaviour { void OnCollisionEnter(Collision collision) { if (collision.gameObject.CompareTag("Ground")) { Debug.Log("로봇이 지면과 충돌하였다."); // 추가 로직 구현 } } } ```

1. 테스트 및 조정:
2. 시뮬레이션을 실행하여 로봇이 지면에 안정적으로 서 있는지 확인한다.
3. 필요에 따라 Rigidbody 및 Collider 설정을 조정하여 원하는 동작을 구현한다.