Como eu descobri uma maneira de fazer isso, vou postar como resposta à minha própria pergunta. Ainda assim, estou aberto a mais respostas. Inclusive vou utilizar uma abordagem de uma dimensão e caso se encontre soluções adequadas a múltiplas dimensões eu as olharei com prazer e possivelmente dou o acerto para uma resposta diferente da minha.
Só lembrando que em múltiplas dimensões podem ter curvas, ou seja, o vetor de velocidade pode apontar ou não para o ponto final e assim requerer uma mudança de ângulo. Sabemos que pode-se utilizar uma abordagem onde o vetor velocidade só aponta para o ponto final (o que pode causar curvas de ângulos muito grandes e destruir a suavidade visada) e essa abordagem é fácil de se implementar com base na solução de uma dimensão, portanto não tenho interesse nessa. Outra abordagem é a de trabalhar com um ângulo variável que muda ao longo do movimento com suavidade, inserindo nas fórmulas de alguma maneira.
Agora vamos à solução abordando uma única dimensão.
Estratégia Adotada
Primeiramente, leva-se em conta que o algoritmo recebe:
cv
= current value = valor atual,
cs
= current speed = velocidade atual,
ma
= acceleration magnitude = magnitude da aceleração,
fv
= final value = valor final,
dt
= delta time
e que ele retorna:
ncv
= new current value = novo valor atual,
ncs
= new current speed = nova velocidade atual.
Além disso, leva-se em conta que:
- se ao desacelerar o valor estacionar antes de alcançar o
fv
, então era melhor acelerar o quanto antes por um tempo para ganhar velocidade até chegar o momento que a desaceleração faz parar no ponto certo
- e caso contrário, mesmo desacelerando pode-se estacionar tanto em
fv
quanto além (cruzar o ponto de chegada e precisar voltar) e em ambos os casos a desaceleração imediata é necessária para que se tenha a inércia no ponto mais próximo de fv
.
Sendo assim, considera-se que na verdade há dois movimentos retilíneos uniformemente variados distintos, cada um com uma fórmula diferente (uma com aceleração positiva e outra com aceleração negativa). De acordo com a situação, a fórmula correta deve ser selecionada e possivelmente pode-se necessitar do uso de uma fórmula em um trecho do tempo e no restante, a outra.
Para fazer a seleção correta da fórmula, temos que lembrar que o momento de desaceleração ocorre quando os sinais de velocidade e aceleração são opostos (s*a<0
), portanto:
vap(t) = cv + t*( cs + t*ma/2 )
= fórmula de valor em aceleração positiva a partir do momento atual (vap(0) = cv
),
van(t) = cv + t*( cs - t*ma/2 )
= fórmula de valor em aceleração negativa a partir do momento atual (van(0) = cv
),
sap(t) = cs + t*ma
= fórmula de velocidade em aceleração positiva a partir do momento atual (sap(0) = cs
),
san(t) = cs - t*ma
= fórmula de velocidade em aceleração negativa a partir do momento atual (san(0) = cs
),
- se utiliza quando
cs>=0
em momento de aceleração ou cs<0
em momento de desaceleração as fórmulas de função vap
e função sap
,
- e se utiliza quando
cs>0
em momento de desaceleração ou cs<=0
em momento de aceleração as fórmulas de função van
e função san
.
Sim, na inércia (cs=0
) ambos valores de aceleração (positivo ou negativo) indicam aceleração, nunca desaceleração. Isso dá a necessidade de um tratamento de caso de exceção: na inércia, inevitavelmente deve-se acelerar para o lado que leva ao fv
, ou seja, o sinal da aceleração é fv-cv
. Se cv=fv
, então já está parado no valor final e não há o que fazer. Agora saindo dos casos de exceção...
Com isso, podemos saber se ao desacelerar nós cruzamos o valor final ou paramos em cima ou ainda antes, portanto saber se primeiro se acelera para depois desacelerar ou se já começa desacelerando, inverte a velocidade passando a acelerar e depois troca de fórmula para voltar a desacelerar.
Seja qual for o caso, o algoritmo se resume em começar com uma fórmula de aceleração ou desaceleração até contabilizar todo o dt
ou antes disso alcançar o momento de transição de movimento (ou o próprio fv
, que matematicamente se vê mais tarde que vale tratar como ponto de transição), aí caso alcance a transição sem esvair o dt
se troca a fórmula e a aplica até contabilizar todo o dt
restante ou alcançar o fv
.
Para saber se antes passa-se o tempo dt
ou se alcança um momento de transição ou o fim do movimento, é necessário saber qual é o instante em que ocorre a transição ou a finalização e então verificar qual tempo é menor, qual acontece primeiro. As fórmulas dos tempos comparados podem possivelmente serem simplificadas.
Primeira Abstração do Algoritmo
Primeiro precisamos definir se começa com aceleração positiva ou negativa. Os casos de exceção já foram abordados. Em casos gerais, sabe-se que:
quando cs>0
, a desaceleração até a inércia ocorre num tempo cs/ma
com aceleração -ma
e o ponto onde para é cv+(cs^2)/(2*ma)
, portanto se cv+(cs^2)/(2*ma) < fv
(cs^2 < 2*ma*(fv-cv)
) então é melhor começar acelerando (aceleração positiva)
e quando cs<0
, a desaceleração até a inércia ocorre num tempo -cs/ma
com aceleração ma
e o ponto onde para é cv-(cs^2)/(2*ma)
, portanto se cv-(cs^2)/(2*ma) > fv
(cs^2 < 2*ma*(cv-fv)
) então é melhor começar acelerando (aceleração negativa).
Em resumo, enxergamos assim as situações.
if cs=0:
if fv=cv:
MovimentoJáEmEstadoFinal: ncv=cv & ncs=cs
if fv>cv:
MovimentosDeAceleraçãoPositivaDepoisNegativa
if fv<cv:
MovimentosDeAceleraçãoNegativaDepoisPositiva
if cs>0:
if cs^2 < 2*ma*(fv-cv):
MovimentosDeAceleraçãoPositivaDepoisNegativa
if cs^2 > 2*ma*(fv-cv):
MovimentosDeAceleraçãoNegativaDepoisPositiva
if cs^2 = 2*ma*(fv-cv):
MovimentoDeAceleraçãoNegativa
if cs<0:
if cs^2 < 2*ma*(cv-fv):
MovimentosDeAceleraçãoNegativaDepoisPositiva
if cs^2 > 2*ma*(cv-fv):
MovimentosDeAceleraçãoPositivaDepoisNegativa
if cs^2 = 2*ma*(cv-fv):
MovimentoDeAceleraçãoPositiva
Assim, resta descobrir em que consiste:
MovimentosDeAceleraçãoPositivaDepoisNegativa
,
MovimentosDeAceleraçãoNegativaDepoisPositiva
,
MovimentoDeAceleraçãoPositiva
e
MovimentoDeAceleraçãoNegativa
.
Cálculo de movimento encerrado ou de aceleração exclusivamente positiva ou exclusivamete negativa
Quando o movimento já está em estado final (executando-se o MovimentoJáEmEstadoFinal
), isso significa que se está com valor vf
e em inércia, onde deve permanecer, portanto nem sequer é necessário fazer cálculos, pois somente é necessário retornar os resultados ncv=fv
e ncs=0
.
Já quando o cálculo que precisa ser feito é somente de uma fórmula, somente é necessária uma para alcançar a inércia no valor final e para fazer o cálculo do algoritmo somente é necessário verificar se nessa atualização do movimento se chega no estado final (ou seja, calcula-se o tempo para chegar e compara com o dt
) e, em função disso, definir os valores de ncv
e ncs
.
No caso de MovimentoDeAceleraçãoPositiva
, para saber se chega no fim do movimento (que termina em inércia), deve-se levar em conta que o tempo que leva para chegar lá a partir do instante atual é -cs/ma
, portanto se chega quando dt >= -cs/ma
. Se chegar, os resultados são ncv=cv
e ncs=cs
, caso contrário são ncv=vap(dt)
e ncs=sap(dt)
.
No caso de MovimentoDeAceleraçãoNegativa
, o tempo que leva para terminar o mobimento a partir do instante atual é cs/ma
, portanto se chega quando dt >= cs/ma
. Se chegar, os resultados são ncv=cv
e ncs=cs
, caso contrário são ncv=van(dt)
e ncs=san(dt)
.
Cálculo de movimento de aceleração positiva seguida de negativa
Quando o movimento a ser calculado é dividido em dois movimentos, um de aceleração positiva e outro de aceleração negativa, isso significa que é necessário trabalhar matematicamente com o instante da transição e o instante de término.
No caso de movimento de aceleração positiva seguida de negativa, ou seja, do cálculo de MovimentosDeAceleraçãoPositivaDepoisNegativa
, o instante de transição e o de finalização a partir do momento atual dependem de um resultado de cálculo de raiz quadrada, que é tmp=sqrt(0.5*cs^2+(fv-cv)*ma)
. O instante de trasição é tt=(tmp-cs)/ma
. Se dt <= tt
, então os resultados são ncv=vap(dt)
e ncs=sap(dt)
. Caso contrário, precisamos saber o momento que os dois movimentos terminam, que é ft=(2*tmp-cs)/ma
. Se dt >= ft
, então os resultados são ncv=fv
e ncs=0
, caso contrário são ncv=cv-dt*(cs+dt*ma/2-tmp-tmp)-(cs-tmp)^2/ma
e ncs=2*tmp-dt*ma-cs
.
Cálculo de movimento de aceleração negativa seguida de positiva
É similar ao movimento de aceleração positiva seguida de negativa, porém com pequenas mudanças nas fórmulas. No caso do cálculo de MovimentosDeAceleraçãoPositivaDepoisNegativa
, ele se diferencia do anterior por tmp=sqrt(0.5*cs^2+(cv-fv)*ma)
, tt=(tmp+cs)/ma
, se dt <= tt
então os resultados são ncv=van(dt)
e ncs=san(dt)
, caso contrário, ft=(2*tmp+cs)/ma
, se dt >= ft
então os resultados são ncv=fv
e ncs=0
, caso contrário são ncv=cv-dt*(cs-dt*ma/2+tmp+tmp)+(cs+tmp)^2/ma
e ncs=dt*ma-2*tmp-cs
.
Implementação e Teste
O algoritmo foi implementado e testado em linguagem C, formando a função a seguir que salva os resultados em *newCurrentValue
e *newCurrentSpeed
. Os cálculos foram bem divididos, partes de resultados salvos em muita variáveis temporárias. Além disso, ao máximo se evitou o cálculo de raiz quadrada, adaptando até as condições.
Na primeira abstração do algoritmo, observamos ao todo nove possibilidades de casos, mas ao implementar e testar percebeu-se que funciona incluir os casos de exceção em outros, definindo assim quatro casos. Para cada um, houve um goto
para um ponto do programa onde o cálculo ocorre, seja assumindo movimento de aceleração primeiramente positiva e depois negativa (_ap_an
) ou primeiramente negativa e depois positiva (_an_ap
).
Logo a seguir está a função de atualização de dados de movimento uniformemente acelerado.
# include <math.h>
void UpdateUam( float currentValue , float currentSpeed , float *newCurrentValue , float *newCurrentSpeed , float deltaTime , float finalValue , float accelerationMagnitude ){
float das , das2 , s2av , s2avs , da=deltaTime*accelerationMagnitude , s2=currentSpeed*currentSpeed ;
float a2=accelerationMagnitude+accelerationMagnitude , av=a2*(finalValue-currentValue) ;
if( currentSpeed < 0 )
if( s2+av < 0 ) goto _an_ap ;
else goto _ap_an ;
else
if( s2-av < 0 ) goto _ap_an ;
_an_ap:
das = currentSpeed-da ;
if( das < 0 ){
das2 = das*das ;
s2av = 0.5f*( s2-av ) ;
if( das2 > s2av ){
if( das2 >= 4*s2av ){
*newCurrentValue = finalValue ;
*newCurrentSpeed = 0 ;
return ;
}
s2av = sqrt( s2av ) ;
s2avs = s2av+currentSpeed ;
*newCurrentValue = currentValue-deltaTime*( currentSpeed-0.5f*da+(s2av+s2av) )+s2avs*s2avs/accelerationMagnitude ;
*newCurrentSpeed = da-(s2av+s2av)-currentSpeed ;
return ;
}
}
*newCurrentValue = currentValue+deltaTime*( currentSpeed-0.5f*da ) ;
*newCurrentSpeed = das ;
return ;
_ap_an:
das = currentSpeed+da ;
if( das > 0 ){
das2 = das*das ;
s2av = 0.5f*(s2+av) ;
if( das2 > s2av ){
if( das2 > 4*s2av ){
*newCurrentValue = finalValue ;
*newCurrentSpeed = 0 ;
return ;
}
s2av = sqrt( s2av ) ;
s2avs = s2av-currentSpeed ;
*newCurrentValue = currentValue-deltaTime*( currentSpeed+0.5f*da-(s2av+s2av) )-s2avs*s2avs/accelerationMagnitude ;
*newCurrentSpeed = (s2av+s2av)-da-currentSpeed ;
return ;
}
}
*newCurrentValue = currentValue+deltaTime*( currentSpeed+0.5f*da ) ;
*newCurrentSpeed = das ;
}
O código foi testado na função main
onde se inicializa em variável local os dados iv
(valor inicial), is
(velocidade inicial), fv
(valor final) e a
(magnitude da aceleração). Ele executa para tempos dt
cada vez maiores (0.2 unidades adicionais por loop) uma atualização com o tal intervalo e também oito atualizações de tempo dt/8
até que se encontre exatamente os mesmos resultados do ciclo anterior, que é quando estaciona no ponto final.
A seguir, a função main
.
# include <stdio.h>
int main(){
float iv=0 , is=0 , fv=0 , a=1 ;
float v=iv , s=is , v2=999 , s2=999 , c=0 ;
for( float dt=0 ; ( v2*v2+s2*s2>0 )||( c<1.5f ) ; dt+=0.2f , c++ ){
v2 = v ; s2 = s ;
UpdateUam(iv,is,&v,&s,dt,fv,a) ;
printf(" Time=%4.1f --> v=%+7.3f s=%+7.3f",dt,v,s) ;
UpdateUam(iv,is,&v,&s,0.125f*dt,fv,a) ;
UpdateUam(v,s,&v,&s,0.125f*dt,fv,a) ;
UpdateUam(v,s,&v,&s,0.125f*dt,fv,a) ;
UpdateUam(v,s,&v,&s,0.125f*dt,fv,a) ;
UpdateUam(v,s,&v,&s,0.125f*dt,fv,a) ;
UpdateUam(v,s,&v,&s,0.125f*dt,fv,a) ;
UpdateUam(v,s,&v,&s,0.125f*dt,fv,a) ;
UpdateUam(v,s,&v,&s,0.125f*dt,fv,a) ;
printf(" |--> v=%+7.3f s=%+7.3f\n",v,s) ;
v2 -= v ; s2 -= s ;
}
return 0 ;
}
Não se encontrou casos em que a função dá resultados inesperados. Além disso, no Maple 2015 se testou a seguinte função que retorna o novo valor atualizado. Neste caso, não se implementou as fórmulas de velocidade, que são simplesmente derivadas das fórmulas de valores.
Utilizando o código a seguir, onde na primeira linha se define os argumentos e na segunda uma lista de magnitudes de acelerações, pode-se testar em vários casos os valores e velocidades visualizando os gráficos, na primeira linha os gráficos de valores (para cada aceleração partindo dos valores iniciais e chegando pouco além dos valores finais do movimento) e na segunda linha, os de velocidade usando diferenças finitas.
Não foram encontrados casos de resultados inesperados nos gráficos. Para finalizar, a função em C foi convertida para a seguinte em C#.
public static void UpdateUam( float currentValue , float currentSpeed , out float newCurrentValue , out float newCurrentSpeed , float deltaTime , float finalValue , float accelerationMagnitude ){
float das , das2 , s2av , s2avs , da=deltaTime*accelerationMagnitude , s2=currentSpeed*currentSpeed ;
float a2=accelerationMagnitude+accelerationMagnitude , av=a2*(finalValue-currentValue) ;
if( currentSpeed < 0 )
if( s2+av < 0 ) goto _an_ap ;
else goto _ap_an ;
else
if( s2-av < 0 ) goto _ap_an ;
_an_ap:
das = currentSpeed-da ;
if( das < 0 ){
das2 = das*das ;
s2av = 0.5f*( s2-av ) ;
if( das2 > s2av ){
if( das2 >= 4*s2av ){
newCurrentValue = finalValue ;
newCurrentSpeed = 0 ;
return ;
}
s2av = (float)System.Math.Sqrt( s2av ) ;
s2avs = s2av+currentSpeed ;
newCurrentValue = currentValue-deltaTime*( currentSpeed-0.5f*da+(s2av+s2av) )+s2avs*s2avs/accelerationMagnitude ;
newCurrentSpeed = da-(s2av+s2av)-currentSpeed ;
return ;
}
}
newCurrentValue = currentValue+deltaTime*( currentSpeed-0.5f*da ) ;
newCurrentSpeed = das ;
return ;
_ap_an:
das = currentSpeed+da ;
if( das > 0 ){
das2 = das*das ;
s2av = 0.5f*(s2+av) ;
if( das2 > s2av ){
if( das2 > 4*s2av ){
newCurrentValue = finalValue ;
newCurrentSpeed = 0 ;
return ;
}
s2av = (float)System.Math.Sqrt( s2av ) ;
s2avs = s2av-currentSpeed ;
newCurrentValue = currentValue-deltaTime*( currentSpeed+0.5f*da-(s2av+s2av) )-s2avs*s2avs/accelerationMagnitude ;
newCurrentSpeed = (s2av+s2av)-da-currentSpeed ;
return ;
}
}
newCurrentValue = currentValue+deltaTime*( currentSpeed+0.5f*da ) ;
newCurrentSpeed = das ;
}
Esta função foi utilizada no Unity 2018 para atualizar o x
da posição de um objeto em relação à posição do mouse, somente quando o botão do mouse é pressionado para que se possa pausar o movimento e testar em mudanças muito bruscas de condições.
if( Input.GetMouseButton(0) ){
float x=obj.transform.position.x ;
UpdateUam( x , s , out x , out s , Time.deltaTime , camera.ScreenToWorldPoint(Input.mousePosition).x , 99 ) ;
obj.transform.position = new Vector3(x,0,0) ;
}
Não se encontrou anomalias no movimento e foi-se visualmente observada suavidade nas mudanças dos valores. Sendo assim, espero que tudo esteja correto, afinal em todas as versões corrigidas de códigos implementados se viu resultados satisfatórios, ainda que de fato algumas correções tenham sido necessárias.