🚁 Controle Autônomo de Atitude - Braço 1 DOF

Sistema de controle automático de um braço em L invertido utilizando Arduino, sensor MPU6050 (acelerômetro + giroscópio) e motor brushless controlado por ESC.

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📋 Visão Geral do Projeto

Este projeto implementa diferentes estratégias de controle para manter um braço em uma posição angular desejada:

Script	Estratégia	Uso
start_braço.ino	PID com AUTOSTART	⭐ PRINCIPAL - Uso autônomo
controle_autonomo.ino	Perturba & Observa (P&O)	Alternativo - Otimização
angulo_braco.ino	Leitura de sensor	Debug/Calibração

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🎯 Como Funciona (start_braço.ino)

Fase 1: AUTOSTART Automático

Bateria conectada
        ↓
Arduino liga e calibra
        ↓
Motor incrementa throttle gradualmente
        ↓
Detecta movimento do braço (3° confirmado)
        ↓
Salva automaticamente o throttleBase
        ↓
Passa para Fase 2

Fase 2: Controle PID

Com throttleBase já descoberto
        ↓
Aplica algoritmo PID
        ↓
Mantém braço no setpoint (ex: 0° = horizontal)
        ↓
Rejeita perturbações
        ↓
Sistema estável!

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⚙️ Hardware Necessário

Componente	Modelo	Função
Arduino	Uno/Nano	Controlador
Sensor	MPU6050	Acelerômetro + Giroscópio
ESC	30A+ brushless	Controla motor
Motor	Brushless 1000-4000KV	Fornece torque
Bateria	3S LiPo (11.1V)	Alimentação
Braço Mecânico	~20cm, 50-300g	Carga

Conexões

Arduino ↔ MPU6050 (I2C)
  A4 (SDA) → SDA
  A5 (SCL) → SCL
  GND → GND
  5V → VCC

Arduino ↔ ESC
  D9 (PWM) → Signal
  GND → GND

Bateria → ESC
  + → +
  - → -

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🚀 Como Usar

Opção 1: AUTOSTART Automático (Recomendado)

Script: start_braço.ino

Passos:

1. Upload do código para Arduino
2. Conecte bateria ao circuito
3. Sistema inicia automaticamente:
   • Calibra sensor
   • Faz partida automática
   • Descobre throttleBase
   • Estabiliza no setpoint

Saída esperada:

• Braço sai do repouso sozinho
• Vai para posição desejada (padrão 0° = horizontal)
• Fica estável e rejeita perturbações

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Opção 2: Visualizar Ângulo (Debug)

Script: angulo_braco.ino

Passos:

1. Upload do código
2. Abra Serial Monitor (115200 baud)
3. Mexa o braço e veja o ângulo em tempo real

Output:

Iniciando MPU6050...
Calibrando giroscópio (não mexa!)...
Calibração pronta!
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Lendo ângulo do braço (em graus)
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Ângulo: -5.50°
Ângulo: -5.48°
Ângulo: 0.00°
Ângulo: 3.20°

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Opção 3: Perturba & Observa (Alternativo)

Script: controle_autonomo.ino

Implementa algoritmo de otimização P&O com máquina de estados:

• ARM → Armamento do ESC
• AUTOSTART → Partida com impulsos automáticos
• CAPTURE_PO → Aproximação ao setpoint com P&O agressivo
• HOLD_PO → Manutenção com P&O suave + deadband

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🔧 Ajustes Principais

Em start_braço.ino

Setpoint (ângulo desejado):

float setpointDeg = 0.0;   // 0° = horizontal
// float setpointDeg = 45.0;  // 45° inclinado
// float setpointDeg = -10.0; // -10° para baixo

Ganhos PID (afeta resposta do sistema):

float Kp = 18.0;  // Proporcional (força proporcional ao erro)
float Ki = 0.8;   // Integral (elimina erro residual)
float Kd = 1.2;   // Derivativo (amortecimento)

AUTOSTART:

const int AUTOSTART_STEP_US = 2;           // Incremento por ciclo
const int AUTOSTART_INTERVAL_MS = 20;      // Frequência
const float AUTOSTART_DETECTION_DEG = 3.0; // Movimento mínimo detectado
const unsigned long AUTOSTART_TIMEOUT_MS = 10000; // Timeout 10s

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⚠️ Segurança

✅ OBRIGATÓRIO:

• Proteção mecânica (limite de curso)
• Hélice protegida em caixa
• Área de testes livre
• Óculos de proteção
• Supervisor presente

❌ NUNCA:

• Teste sem proteções
• Deixe bateria conectada sem supervisão
• Remova limitadores mecânicos
• Comece com throttle alto

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📊 Diagrama de Fluxo (start_braço.ino)

BATERIA CONECTADA
       ↓
[SETUP]
  ├─ Liga sensor MPU6050
  ├─ Calibra giroscópio (1000 amostras)
  ├─ Arma ESC
  └─ Begin AUTOSTART
       ↓
[AUTOSTART - Fase 1]
  ├─ Incrementa throttle 2µs a cada 20ms
  ├─ Aguarda movimento do braço
  ├─ Detecta quando se move (3° confirmado)
  ├─ Salva throttleBase automaticamente
  └─ Passa para PID
       ↓
[PID CONTROL - Fase 2]
  ├─ Lê ângulo sensor (a cada 5ms)
  ├─ Calcula erro = setpoint - ângulo
  ├─ Aplica PID: u = Kp*e + Ki*∫e + Kd*de/dt
  ├─ Envia PWM ao motor
  ├─ Rampa suave (1µs por vez)
  └─ Mantém braço no setpoint
       ↓
[REPETIR] → Loop infinito 200 Hz

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📈 Performance Esperada

Métrica	Valores
Tempo de acomodação	3-5s
Overshoot	<10°
Erro estacionário	<0.5°
Rejeição de perturbação	<500ms
Frequência de controle	200 Hz (5ms)
Taxa de bateria 3S LiPo	~30-60 min

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🔍 Troubleshooting

❌ Braço não sobe

Causa: Throttle base descoberto mas muito baixo, ou peso muito alto

Solução:

• Ajuste AUTOSTART_STEP_US para 3 ou 4 (mais agressivo)
• Ou AUTOSTART_DETECTION_DEG para 2.0 (menos rigoroso)

❌ Oscila muito

Causa: Ganhos PID muito altos

Solução:

float Kp = 12.0;  // Diminua de 18.0
float Kd = 2.0;   // Aumente de 1.2

❌ Demora muito para subir

Causa: AUTOSTART lento demais

Solução:

const int AUTOSTART_STEP_US = 4;  // Era 2
const int AUTOSTART_INTERVAL_MS = 10; // Era 20

❌ Timeout na partida automática

Causa: Braço muito pesado ou motor fraco

Solução:

1. Reduza peso do braço
2. Use motor mais potente
3. Aumente timeout: const unsigned long AUTOSTART_TIMEOUT_MS = 15000;

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📚 Estrutura de Funcionamento (Código)

LEITURA DE SENSOR (mpuRead14)

I2C → MPU6050 → 14 bytes
      ├─ Acelerômetro (6 bytes): ax, ay, az
      ├─ Temperatura (2 bytes) - ignorado
      └─ Giroscópio (6 bytes): gx, gy, gz

CÁLCULO DE ÂNGULO

1. Acelerômetro → atan2(ax, √(ay²+az²)) → anguloAcel
2. Giroscópio → (gy - offset) / 131 LSB → velocidadAngular
3. Filtro Complementar:
   angleDeg = 0.98 * (angleDeg + gyroRate*dt) 
            + 0.02 * accelAngle

CONTROLE PID

erro = setpoint - angleDeg

Proporcional: Kp * erro
Integral: Ki * ∫erro·dt (com anti-windup)
Derivativo: Kd * d(erro)/dt

Comando final: u = Kp*e + Ki*∫e + Kd*de/dt
Throttle: base + u

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🎓 Para Apresentação ao Professor

Resumo Executivo (1 minuto)

"Sistema autônomo de controle de atitude usando PID. Ao ligar, faz AUTOSTART automático: aumenta gradualmente o motor até detectar movimento, salva o ponto de equilíbrio, e depois usa controle PID para manter o braço no ângulo desejado com rejeição de perturbações."

Pontos-chave

1. AUTOSTART: Descobrir throttleBase automaticamente
2. PID: Manter braço no setpoint
3. Filtro Complementar: Mesclar acelerômetro + giroscópio
4. Segurança: Timeout, limites, rampa suave

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📝 Histórico de Versões

Versão	Script	Estratégia	Status
1.0	start_braço.ino	PID + AUTOSTART	✅ Funcional
1.0	controle_autonomo.ino	Perturba & Observa	✅ Funcional
1.0	angulo_braco.ino	Leitura sensor	✅ Debug

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🚀 Próximos Passos

• Adicionar segundo eixo (2 DOF)
• Controle via rádio remoto
• Datalogger para análise
• Otimização automática de ganhos PID
• Interface gráfica em Processing