I nte rna t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n   ( I J RA )   Vo l.   6 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   201 7 ,   p p .   20 7 ~ 21 5   I SS N:  2089 - 4856 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r a. v 6 i3 . p p 2 0 7 - 21 5           207       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J RA   Co ntrolling  of M o bile  Ro bo t   by   Us ing   o f  Pre dictive  Co ntroller       Alirez a   Rez a ee     Un iv e rsit y   o f   Teh ra n ,   Isla m ic   Re p u b li c   o f   Ira n ,   Ira n       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   A p r   2 3 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   J u n   2 4 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   J u l   2 ,   2 0 1 7       I n   t h is  p a p e r  im p lem e n tatio n   o f   M o d e l  P re d ictiv e   Co n t ro ll e r  o n   m o b il e   ro b o t   w a s  e x p lain e d .   T h e   c o n d u c ted   e x p e ri m e n ts  sh o w  e ff e c ti v e n e ss   o f   th e   p ro p o se d   m e th o d   o n   c o n tro l  o f   th e   m o b il e   ro b o t .   F u rt h e rm o re   th e   e ffe c ts  o f  th e   m o d e l  p a ra m e ters   su c h   a s  c o n tro l   h o rizo n ,   p re d icti o n   h o rizo n ,   w e ig h ti n g   f a c to r  a n d   sig n a l  f il ter  b a n d   o n   th e   c o n tr o ll e r  p e rf o rm a n c e   w e r e   stu d ied .   F in a ll y ,   a   c o m p a riso n   b e tw e e n   t h e   d e sig n e d   M P C  c o n t ro ll e r  a n d   P ID  a n d   a d a p ti v e   c o n tr o ll e rs  w a s  p re se n ted   d e m o n stra ti n g   su p e ri o r  p e rf o rm a n c e   o f  th e   M o d e l  P re d ictiv e   Co n tr o ll e rs .   K ey w o r d :   C o n tr o l   Mo d el   P r ed ictio n   R o b o t   Co p y rig h t  ©   2 0 1 7   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A lire za   R ez ae e,   Un iv e rsit y   o f   Teh ra n ,   Isla m ic  Re p u b li c   o f   Ira n ,   Ira n .   E m ail: a r r ez ae e@ u t.a c. ir       1.   I NT RO D UCT I O N   Mo d el  P r ed ictiv e  C o n tr o ller s   ( MP C )  ar e  w id el y   ad o p ted   in   i n d u s tr y   as   ef f ec ti v e  to o ls   f o r   d ea lin g   w it h   lar g e  s ca le  m u lti -   v ar iab le  an d   m u lti - co n s tr ain ed   co n t r o l  p r o b lem s   ( G u a n g   et  al,   2 0 0 5 ;  C a m ac h o   an d   B o r d o n s ,   1 9 9 9 ;  Nag y   et  al,   2 0 0 5 ) .   T h e  m ain   id ea   o f   MP C   lies   in   o n lin e  co n s tr u c tio n   o f   th e  s y s te m   m o d el,   p r ed ictin g   it s   f u tu r e  s tates   an d   g en er ati n g   t h e  r eq u ir ed   co n tr o l  ac tio n s   b y   r ep etitiv e   s o l u tio n   o f   an   o p ti m al   co n tr o l  p r o b lem .   I s s u e s   m a y   ar is e  f o r   g u ar a n teei n g   clo s ed - lo o p   s tab ilit y ,   m o d el  u n ce r t ain t y   h a n d li n g   an d   r ed u cin g   th e  o n - li n e  co m p u tat io n s .     T h er e  ar e  th r ee   k in d s   o f   MP C   co n tr o ller   s ch e m es  th at   u s e  d if f er en t  m et h o d s   f o r   s y s te m   m o d elin g   b u t   ar e  s i m il ar   to   ea ch   o th er   i n   co n t r o l p r o ce s s   ( L ik ar   et  al,   2 0 0 7 ) :    1.   MA C   : u s e s   i m p u ls e  r esp o n s e  f o r   s y s te m   m o d elin g .   2.   GP C   : u s e s   tr an s f er   f u n ctio n   f o r   s y s te m   m o d eli n g .   3.   DM C   : u s e s   s tep   r esp o n s e  f o r   s y s te m   m o d eli n g .   T h ese  co n tr o ller s   o p ti m ize   a  co s t  f u n ctio n   th at   d ep en d s   o n   t h e  co n tr o l  la w   ( Ha u g e   et  al,   2 0 0 2 ) . 
 A lth o u g h   DM C   is   p r i m ar il y   d ev e lo p ed   f o r   co n tr o l   o f   ch e m ical  p r o ce s s es  ( C a m ac h o   an d   B o r d o n s ,   1 9 9 9 ;  Gar cia  et  al. ,   1 9 8 9 ;  L i m o n   e t  al,   2 0 0 5 ) ,   it  h as  b ee n   ex ten d ed   s u cc e s s f u ll y   to   o th er   ap p licatio n s   s u c h   a s   m o to r w a y   tr a f f ic  s y s te m s   ( B elle m a n s   et   al,   2 0 0 6 ) ,   s w itc h in g   m a x - p lu s - lin ea r   d i s cr ete  ev en t   s y s te m s   an d   s i m p li f ied   m o d el  o f   b ip ed   w a lk i n g   m o d els  ( v an   e t   al,   2 0 0 6 ;  A ze v ed o   et  al,   2 0 0 2 ) .   Ho w e v er   i m p le m e n tatio n   o f   th i s   co n tr o l  s ch e m e  in   r o b o tics   h a s   b ee n   less   r ep o r ted   an d   s ee m s   to   b e  in   s till   i n   its   i n f an c y   ( L i m o n   et  al,   2 0 0 5 ;  Ko u v ar itak is   et  a l,  2 0 0 6 ) .   I n   th is   w o r k   w e  co n ce n tr ate  o n   ap p licatio n   o f   MP C /D MC  co n tr o ller s   i n   p o s itio n   co n tr o l o f   r o b o tic  s y s t e m s .   T h e  r est  o f   th is   p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo w s :  T h e  n ex t  s e ct io n   p r esen ts   t h e  id ea   o f   MP C   co n tr o ller ,   s ec tio n   3   d escr ib es  P 2 A T   r o b o t,  s ec tio n   4   d i s cu s s e s   t h e  e f f ec t  o f   v ar iatio n   o f   DM C   p ar a m eter s   o n   s p ee d   er r o r ,   s ec tio n   5   d is cu s s es  r es u lts   o f   th e  e x p er i m e n tal  i m p l e m en tatio n   o f   MP C /DM C   o n   a  r ea l  r o b o t,  an d   f i n all y   th e  la s t sectio n   co n tai n s   th e  co n cl u s io n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.  6 ,   No .   3 ,     Sep tem b er   20 1 7   :   20 7   –   21 5   208   2.   M O DE L   P RE DIC T I V E   CO NT RO L L E R   T h e  m a in   s tr ateg y   o f   a  m o d el  p r ed ictiv e  co n tr o ller   is   ill u s tr ated   i n   Fi g u r e  1 .   I n   a  t y p ical  MP C   alg o r ith m   th e   s y s te m   o u tp u t s   ar e  p r ed icted   f o r   a  ce r tain   in t er v al  o f   ti m e  ( p r ed ictio n   h o r izo n )   b y   m a k in g   u s e   o f   a  p r o p e r   s y s te m   m o d el  w h i ch   is   co n s tr u cted   b ased   o n   th e   in f o r m atio n   ( i n p u t s   an d   o u tp u ts )   g a th er ed   f r o m   th e  s y s te m   p as t  as  w el l  as  f u t u r e  co n tr o l  s ig n a ls   th a t  h av e  t o   b e   d eter m i n ed   p r o p er ly .   A s   s h o w n   i n   th e  f ig u r e  th e  co n tr o l  s i g n al  i s   a  s eq u e n ce   o f   s tep   f u n ctio n s   w it h   v ar iab le  am p li tu d e.   Am p li tu d es  o f   th ese  i n p u t s   ar e  o b tain ed   b y   s o lv i n g   an   o p ti m izatio n   p r o b lem   t h at  tr ie s   to   k ee p   th e  s y s te m   o u tp u t  clo s e  to   th e  r ef er en ce   s e t   p o in t.  Ob j ec tiv e  f u n ctio n   o f   th is   p r o b le m   i s   u s u all y   a  q u ad r a tic  f u n ctio n   o f   t h e  d i f f er en ce   b et w ee n   t h e   p r ed icted   o u tp u t sig n als a n d   th e  r ef er en ce   tr aj ec to r y .   A ll  t h e  MP C   alg o r ith m s   u s in g   a  lin ea r   m o d el  h a v e  s i m ila r   b eh av io r .   Her e  w e  d e m o n s tr ate  h o w   DM C   w o r k s   ( 1 ) .     Y= A ∆u +Y 0   ( 1 )     W h er e  A   in cl u d es  th e  s tep   r e s p o n s e,   Y   is   th e  p r ed icted   o u tp u t,  Y0   is   p ast  o u tp u t,  an d   u   is   th e  co n tr o l  la w   ( A ze v ed o   et  al,   2 0 0 2 ,   Sh r id h ar   an d   C o o p er ,   1 9 9 7 ) .   Fig u r es  ar e  p r esen ted   ce n ter ,   as  s h o wn   b elo w   a n d   cited   in   th e  m a n u s cr ip t.           Fig u r e   1 .   Me th o d o lo g y   o f   MP C       Du e  to   u n ce r tai n itie s   o f   t h e  m o d el  i t  is   v er y   h ar d   to   ac h i ev e  th e  e x ac t  v al u e  o f   A   to   s atis f y   th e  d es ir ed   b ah av io r .   T o   c o m p an s ate  f o r   th is   p r o b le m   an   er r o r   ter m   is   a d d ed   to   th e  s y s te m   o u tp u t   (2 - 3) :       ( 2 )       ( 3 )     W h er e  th e   co r r ec tio n   ter m   r e p r esen ts   th e   d if f er en ce   b et w e en   t h e  c u r r en t   p lan t   ac t u al  o u tp u t  a n d   t h e  o u tp u t   ex tr ac ted   f r o m   t h e  m o d el.   T h e  er r o r   v ec to r   o v er   p r ed ictio n   h o r izo n   is   th e n   w r itte n   as   ( 4 )       ( 4 )     Usi n g   t h e  ab o v e  ex p r ess io n   a   q u ad r atic  co s t  f u n ct io n ,   J ,   c an   b e  d ef in ed   w h ic h   is   m in i m ized   to   o b tain   th e   o p tim a l  co n tr o ller   ( 5 )       ( 5 )     w h er e  W 1   an d   W 2   ar e   co n s tan ts .   T h e  m o d if ied   co n tr o l la w   is   o b tain ed   as   ( 6 ) :       ( 6 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856     C o n tr o llin g   o f Mo b ile  R o b o t b y  Usi n g   o f P r ed ictive  C o n tr o ller   (   A lir e z a   R eza ee )   209   Fig u r e  2   s h o w s   t h e  s tr u ct u r e  o f   a  m o d el  p r ed icti v e  co n tr o ller .   I n   th i s   co n f i g u r atio n   t h e  b lo ck   lab eled   as " Mo d el "   co n tain s   t h e  m o d el  o f   th e   r o b o t  th at  p r ed icts   t h e  b eh av io r   o f   t h e  r o b o t o v er   a  c er tain   ti m e   h o r izo n .   T h e  Fu tu r e  I n p u ts   ( u ( t+ k | t) )   ar e  ca lcu lated   u n d er   co n s tr ain s   an d   b y   o p ti m izi n g   a  co s t  f u n ctio n .   T h is   p r o ce s s   co n tin u es  u n t il  th e  en d   o f   th e  tr aj ec t o r y .   Fig u r es  ar e  p r esen ted   ce n ter ,   as  s h o w n   b elo w   an d   cited   in   th e   m an u s cr ip t.           Fig u r e  2 .   T h e  s tr u ctu r e  o f   a  M P C       2 . 2 .     T he  A lg o r ith m   o f   a   DM C   co ntr o ller   T h e  alg o r ith m   o f   a  DM C   co n t r o ller   is   as f o llo w s :   a.   Ob tain   m o d el  o f   t h e  r o b o t to   b e  co n tr o lled .   b.   Use th e  m o d el  to   p r ed ict  b eh a v io r   o f   th e  r o b o t o v er   a  ce r tain   ti m e  h o r izo n . 
   c.   C alcu lated   th e  E   f r o m   eq u atio n   ( 4 ) . 
   d.   Dete r m i n e  t h e  co n tr o l a ctio n   b y   o p ti m iz in g   a  p er f o r m a n ce   i n d ex ,   w h ic h   t y p icall y   is   t h e  er r o r   b etw ee n   t h e   o u tp u ts   p r ed icted   f r o m   t h e  m o d el  an d   th e  d esire d   o u tp u t o v e r   th e  ti m e  h o r izo n .     e.   A p p l y   t h e  o p ti m al  co n tr o l  ac t io n s   a n d   th e n   m ea s u r e  r o b o t  o u tp u ts   o v er   th e  t i m e  h o r izo n .   T h e  m ea s u r ed   v alu e s   at  t h e  f i n al  s tag e  w il l b e  u s ed   as i n itial c o n d itio n s   o f   t h e  m o d el  in   t h e  n ex t i ter atio n .     f.   R ep ea t step s   2   to   5   u n til t h e  e n d   o f   th e  tr aj ec to r y .       3.   RO B O T   CO NT RO L   Fo r   r o b o t  co n tr o l  w it h   MP C   c o n tr o ller   w e   n ee d   to   h av e   t h e  m o d el   eq u atio n   o f   t h e  r o b o t  as  s h o w n   i n   Fig u r e   3 .   T h e  r o b o t u n d er   co n s id er atio n   in   th i s   s t u d y   i s   a  f o u r   w h ee l P 2 A T   r o b o t in   w h ic h   w h ee ls   o f   t h e  r o b o t  ar e  co n tr o lled   in d ep en d en t l y .   Fig u r es a r e  p r esen ted   ce n ter ,   a s   s h o w n   b elo w   a n d   cited   in   t h e  m an u s cr ip t.           Fig u r e  3 .   P 2 A T   r o b o t       I n   o r d er   to   o b tain   th e  s y s te m   m o d el  a n d   d esi g n   th e  p r o p er   co n tr o ller   f o r   it,  a  s o u n d   ap p r ec iatio n   o f   d y n a m ic  b eh a v io r   o f   th e  s y s te m   is   n ee d ed .   T o   d o   th at  a  s im p le  s k etch   o f   th e  r o b o t  is   s h o w n   if   F ig u r e .   4 ,   it  is   ass u m ed   t h at  th e   d is ta n ce   b et w ee n   ea c h   w h ee l  i s   co n s ta n t  an d   f o u r   w h ee ls   h a v e  t h e  s a m e  r ad iu s .   Ki n e m a tic   m o d el  o f   th e  r o b o t is d escr ib ed   b y   ( 7 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.  6 ,   No .   3 ,     Sep tem b er   20 1 7   :   20 7   –   21 5   210     ( 7 )         W h er e  u ( k )   =   [ ϑ( k ) ,   α ( k ) ] T   i s   th e  co n tr o l  v ec to r   f o r   m o tio n   tr ac k in g , Δ t  i s   t h e  s a m p le  p er i o d   an d   S i   an d   S 0   d en o te  s p ee d   o f   th e  le f t  an d   r ig h t  w h ee ls   r esp ec ti v el y   an d   t h e   d is ta n ce   b et w ee n   wh ee ls   i s   s h o w n   b y   L   an d   w .   Mo r eo v er ,   a  is   th e  d i s tan ce   b et w ee n   r ef er e n ce   p o in t  o f   th e  r o b o t  an d   th e   w h ee l s .   A d d itio n all y ,   th e   p o s itio n   o f   t h e  r o b o t  in   g lo b al   r ef er en ce   f r a m e   is   s p ec i f ied   b y   co o r d in ates  X  a n d   Y.   T h e   an g u lar   d i f f er en ce   b et w ee n   th e  g lo b al  an d   lo ca l r ef er en ce   f r a m e s   is   g iv e n   b y   θ.     Su c h   a  n o n - l in ea r   s y s te m   i s   o p en   lo o p   co n tr o llab le,   w h ich   ca n   b e  l in ea r i s ed   in   o r d er   to   u s e   tr ad itio n al  li n ea r   f ee d b ac k   co n tr o l to   r eg u late  t h e  r o b o t.  B u t i f   t h e  r o b o t o p er ates o v er   a   lar g e  r an g e  i n   it s   s ta te  s p ac e,   esp ec iall y   w h e n   th e  r o b o t  tu r n s   ar o u n d   co r n er s ,   th e  lin ea r izatio n   o f   t h e  k i n e m atics  w il l  lead   to   th e  lo s s   o f   co n tr o llab ilit y .   S in ce   th e   MP C ’ s   m o d els   ar e  b ased   o n   l in ea r   r eg r e s s io n s .   F ig u r es  ar e   p r esen ted   ce n ter ,   as   s h o w n   b elo w   a n d   cited   in   th e  m an u s cr ip t.           Fig u r e   4 .   Sch e m atic  o f   t h e  P 2 A T   r o b o t       4.   T H E   E F F E C T   O F   DM C  P A RAM E T E RS O N  CO N T RO L L E R  P E RF O RM ANCE    Du e  to   th e  s i m p le  n at u r e  o f   th e  li n ea r   m at h e m atica l  m o d els  ( Ma y n e  et  al,   2 0 0 0 ;  A x e h ill,  2 0 0 4 ;  Ax e h ila,   2 0 0 4 )   m o s t  o f   th e  MP C s   in cl u d in g   i m p u l s e  an d   s tep   r esp o n s e  m o d e ls   an d   t h e  tr an s f er   f u n ctio n   m o d el  ar e  b ased   o n   th is   t y p e   o f   m o d el  d escr ip tio n   ( Do u g h er t y   an d   co o p er ,   2 0 0 4 ;  Gilb er t  an d   T an . ,   1 9 9 1 ) .   T h u s ,   th e  f ir s t  s tep   in   co n tr o ll er   d esig n   is   to   lin ea r ize  t h e  m o d el  eq u atio n s   an d   th e n   ca lcu l ate  th e  co n tr o l  la w s .   Fig u r e  5   s h o w s   t h e  s c h e m atic  o f   th e  MP C   co n tr o ller   th a t is c o n n ec ted   to   th e  s y s te m   ( r o b o t) .   R est o f   t h is   p ap er   is   d ev o ted   to   s tu d y   e f f ec t  o f   d if f er e n t  p ar a m eter s   o f   t h e  m o d el  o n   th e  co n tr o ller   p er f o r m an ce .   T o   d o   th at  a   s er ies  o f   ex p er i m e n t s   w er e  co n d u cted   o n   a  s i m p le  s tr ai g h t  p ath   an d   s p ee d   o f   r o b o t  w a s   m e asu r ed   f o r   d if f er e n t   in s ta n ce s   ( F ig u r es.  6 - 1 3 ) .   Fig u r es a r e  p r esen ted   ce n ter ,   as sh o w n   b elo w   a n d   cited   in   th e  m a n u s cr ip t.   MP C   co n tr o ller   is   to   o p tim ize  a  co s t in d ex   J ( x ( k ) , u ( k ) )   u n d er   th e  co n s tr ai n t s   o f   f o r m u la  7   ( 8 ) :      Min u ( k ) J ( x ( k ) ,   u ( k ) )   ( 8 )     T h e  cu r r en t  co n tr o l  v ec to r   is   ch o s en   to   m in i m i s e  th ee   s tate   er r o r s   an d   co n tr o l  en er g y   o v er   s ev er al  s tep s   i n   f u tu r e  s o   th at  t h e  p ath   tr ac k i n g   o f   th e  r o b o t  is   s m o o th   aa n d   s tab le.   T h er f o r e,   th e  co s t  in d ex   ca n   b e  ex p r ess ed   as   ( 9 )       ( 9 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856     C o n tr o llin g   o f Mo b ile  R o b o t b y  Usi n g   o f P r ed ictive  C o n tr o ller   (   A lir e z a   R eza ee )   211       Fig u r e  5 .   C o n n ec t io n   b et w ee n   MP C   co n tr o ller   an d   th e  s y s te m   ( r o b o t)       4 . 1 .     E f f ec t   o f   M   ( co ntr o l ho r izo n)   Fig u r es  6 ,   7   s h o w   t h e  ef f ec t  o f   co n tr o l  h o r izo n   p ar a m eter ,   M,   o n   th e  co n tr o l  o u tp u t  an d   co n tr o l  la w   r esp ec tiv el y .   I t  is   o b s er v ed   t h at  b y   i n cr ea s in g   v al u e  o f   M   th e  s ettli n g   ti m e  is   d ec r ea s ed   a n d   th e  co n tr o l  e f f o r t   is   in cr ea s ed .   T h is   also   in cr ea s es  th e  co m p u tatio n al  co m p l ex it y .   A cc o r d in g   to   th e  ex p er i m en tal  r esu lt s   th e   o p tim a l v al u e  o f   m   s elec ted   as   2 .   Fig u r es a r e  p r esen ted   ce n te r ,   as sh o w n   b elo w   an d   cited   in   th e  m a n u s cr ip t.           M= 1 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α =0 . 5 ,   W 2 = 0 .   ( a)           M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α =0 . 5 ,   W 2 = 0 .   ( b )       M= 4 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =0 .   ( c) 
     Fig u r e  6 .   O u tp u t           M= 1 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =0 .   ( a)       M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =0 .   ( b )           M= 4 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =0 .   ( c)     Fig u r e   7 .   C o n tr o l la w       4 . 1 .     E f f ec t   o f   P   ( predict io n ho rizo n)    Fig u r es  8 ,   9   s h o w   th e  s y s te m   o u tp u t  an d   co n tr o l  la w   f o r   t w o   d if f er en t  v al u es  o f   p a r a m eter   P   r esp ec tiv el y .   I t c a n   b e  s ee n   t h at  b y   in cr ea s in g   v alu e  o f   P   th e   s ettli n g   ti m e  is   d ec r ea s ed   an d   th e  co n tr o l e f f o r t i s   in cr ea s ed   a n d   t h e  co m p u tatio n al  co m p lex it y   is   in cr ea s ed   s i m u lta n eo u s l y .   Fi g u r es   ar e  p r esen ted   ce n ter ,   a s   s h o w n   b elo w   a n d   cited   in   th e  m an u s cr ip t.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.  6 ,   No .   3 ,     Sep tem b er   20 1 7   :   20 7   –   21 5   212       M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =3 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =0 .   ( a)       M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =1 0 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =0 .   ( b ) 
     Fig u r e   8 .   Ou tp u t           M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =3 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =0 .   ( a)       M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =1 0 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =0 .   ( b ) 
     Fig u r e   9 .   C o n tr o l  la w       4 . 3 .     E f f ec t   o f   W2     Fig u r es  1 0 ,   1 1   s h o w   th e  e f f ec t  o f   ch an g in g   w ei g h t  f ac to r   W 2   ( See   E q .   5 )   o n   th e  s y s te m   o u tp u t  an d   th e  co n tr o l  la w .   I t  is   s ee n   th a t  b y   i n cr ea s i n g   t h e  v al u e  o f   W 2   in cr ea s es  th e  s ettli n g   ti m e  w h ile   th e  co n tr o l   ef f o r t  i s   d ec r ea s ed   an d   co m p u tatio n a l  co m p le x it y   is   n o t  c h an g ed .   Fi g u r e s   ar e  p r esen te d   ce n ter ,   as  s h o wn   b elo w   an d   cited   in   t h e  m an u s c r ip t.           M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =0 . 1 .   ( a)       M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =1 .   ( b )     Fig u r e  1 0 .   O u tp u t           M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =0 . 1 .   ( a)       M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 5 ,   W 2 =1 .   ( b )     Fig u r e  1 1 .   C o n tr o l la w       4 . 4 .     E f f ec t   o f   α   Fig u r es  1 2   a n d   1 3   s h o w   th e   e f f ec t  o f   v ar iatio n   o f   α   u s ed   i n   th e  in p u t  s ig n al  f il ter   b an d   a n d   ap p lied   o n   t h e  co n tr o l  o u tp u t   an d   co n tr o l  la w   r e s p ec tiv el y .   Acc o r d in g   to   t h ese  f i g u r e  i n cr ea s i n g   t h e  v alu e   o f   α ,   in cr ea s es  t h e  s ettl in g   ti m e  an d   d ec r ea s es  th e  co n tr o l  ef f o r t.  Ho w ev er   th e  co m p u tatio n al   co m p le x it y   i s   n o t   ch an g ed .   Fig u r es a r e  p r esen te d   ce n ter ,   as sh o w n   b elo w   a n d   cited   in   th e  m a n u s cr ip t.             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856     C o n tr o llin g   o f Mo b ile  R o b o t b y  Usi n g   o f P r ed ictive  C o n tr o ller   (   A lir e z a   R eza ee )   213       M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 7 ,   W 2 =0 .   ( a)       M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 9 ,   W 2 =0 .   ( b ) 
     Fig u r e  1 2 .   Ou tp u t           M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 7 ,   W 2 =0 .   ( a)       M= 2 ,   N= 2 0 ,   P =5 ,   α   =0 . 9 ,   W 2 =0 .   ( b ) 
     Fig u r e  1 3 . C o n tr o l la w       5.   CO M P ARIS O N  O F   M P C  WI T H   O T H E R  CO N T RO L   M O DE L S   T o   s h o w   t h e  e f f ec tiv e n e s s   o f   th e   MP C   co n tr o ller   t h r ee   d if f er en t  co n tr o ller s   ( MP C ,   P I D  an d   ad ap tiv e)   ar e  i m p le m e n ted   o n   P 2 A T   m o b ile  r o b o t  an d   th e  s y s te m   is   te s ted   in   a n   e llip tic al  p ath   a s   s h o w n   i n   Fig u r e   1 4 .   PID   co n tr o l  tu n i n g   is   d escr ib ed   at  ( Gu   et  al, 1 9 9 7 )   f ig u r e s   ar e  p r esen ted   ce n te r ,   as  s h o w n   b elo w   an d   cited   in   th e  m a n u s cr ip t.           Fig u r e  14.   E llip tical  p ath       Fig u r es  1 5 - 1 7   s h o w   th e  er r o r   an d   its   f ir s t  d er iv ati v e  f o r   d if f er en t  co n tr o ller s .   Mo r eo v er   th e  r ea l  p ath   m o v ed   b y   t h e  r o b o t  is   g iv e n   in   th e  s u b p lo ts .   A s   F i g u r e  1 7   s h o w s ,   th e  MP C   co n tr o ller   h as  a  lo w er   er r o r   co m p ar ed   to   th e  o th er   co n tr o l  m et h o d s   an d   ca n   tr ac k   th e  p at h   m o r e  p r ec is el y .   F ig u r es  ar e  p r esen ted   ce n ter ,   as  s h o w n   b elo w   a n d   cited   in   th e  m an u s cr ip t.           Fig u r e  15.   R o b o t p ath   w it h   P I D  co n tr o ller       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.  6 ,   No .   3 ,     Sep tem b er   20 1 7   :   20 7   –   21 5   214       Fig u r e   1 6 .   R o b o t p ath   w it h   ad ap tiv e  co n tr o ller           Fig u r e  17.   R o b o t p ath   w it h   MP C   co n tr o ller       6.   CO NCLU SI O N   T h is   p ap er   p r o p o s es  a  Mo d el  P r ed ictiv e  C o n tr o ller   ( MP C )   f o r   co n tr o l  o f   a  P2 A T   m o b ile  r o b o t.  M P C   r ef er s   to   a  g r o u p   o f   co n tr o ller s   th at  e m p lo y   a  d is ti n ctl y   id en tical  m o d el  o f   p r o ce s s   to   p r e d ict  its   f u t u r e   b eh av io r   o v er   an   ex te n d ed   p r ed ictio n   h o r izo n .   T h e  d esig n   o f   a  MP C   is   f o r m u lated   as  an   o p ti m al   co n tr o l   p r o b lem .   T h en   t h is   p r o b le m   i s   co n s id er ed   as  li n ea r   q u ad r atic  eq u atio n   ( L QR )   a n d   is   s o lv ed   b y   m a k i n g   u s e  o f   R icatti  eq u atio n .   T o   s h o w   th e   ef f ec ti v en e s s   o f   t h e  p r o p o s ed   m et h o d   th i s   co n tr o ller   is   i m p le m e n ted   o n   a  r ea l   r o b o t.  T h e   co m p ar is o n   b et w e en   a  P I D  co n tr o ller ,   ad ap tiv e   co n tr o ller ,   an d   t h e  MP C   i llu s t r ates  ad v a n tag e   o f   th e  d esi g n ed   co n tr o ller   an d   i ts   ab ilit y   f o r   ex ac t c o n tr o l o f   th e   r o b o t  o n   a  s p ec if ied   g u id e   p ath .     6 . 1 .   E qu a t io ns   Nu m b er   eq u atio n s   co n s ec u tiv el y   w it h   eq u atio n   n u m b er s   i n   p ar en th ese s   f l u s h   w it h   t h e  r ig h t  m ar g i n ,   as  in   ( 1 ) .   First  u s e  th e  eq u atio n   ed ito r   to   c r ea te  th e  eq u atio n .   T h en   s elec t  th e  “ E q u at io n ”  m ar k u p   s t y le.   P r ess   th e  tab   k e y   a n d   w r ite  t h e       7.   P UB L I CA T I O N  P RI NCIP L E S   T h e  t w o   t y p es  o f   co n ten t s   o f   th at  ar e  p u b lis h ed   ar e;  1 )   p ee r r ev ie w ed   an d   2 )   ar ch iv a l.  T h e  T r an s ac tio n s   p u b lis h es  s c h o la r l y   ar ticles  o f   ar ch iv a l  v al u e  as  w ell  as  t u to r ial  ex p o s itio n s   an d   cr itical  r ev ie w s   o f   class ica l su b j ec ts   an d   to p ics   o f   cu r r en t i n ter est.     Au t h o r s   s h o u ld   co n s id er   th e  f o llo w i n g   p o in t s :   a.   T ec h n ical  p ap er s   s u b m itted   f o r   p u b licatio n   m u s t  ad v a n ce   t h e  s tate  o f   k n o w led g e  a n d   m u s t  cite  r ele v an t   p r io r   w o r k .   b.   T h e  len g t h   o f   a  s u b m itted   p ap er   s h o u ld   b e  co m m en s u r ate   w it h   th e  i m p o r tan ce ,   o r   ap p r o p r iate  to   th e   co m p le x it y ,   o f   t h e  w o r k .   Fo r   ex a m p le,   a n   o b v io u s   e x ten s io n   o f   pr ev io u s l y   p u b li s h ed   w o r k   m ig h t  n o t  b e  ap p r o p r iate  f o r   p u b licatio n   o r   m i g h t b e  ad eq u atel y   tr ea ted   in   j u s t a   f e w   p ag es.   c.   Au t h o r s   m u s t  co n v in ce   b o th   p ee r   r ev ie w er s   an d   th e   ed ito r s   o f   th e  s cien tific   a n d   tec h n i ca l  m er i t  o f   a  p ap er ; th e   s tan d ar d s   o f   p r o o f   ar e  h ig h er   w h e n   ex tr ao r d in ar y   o r   u n ex p ec ted   r esu lts   ar e  r ep o r ted .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856     C o n tr o llin g   o f Mo b ile  R o b o t b y  Usi n g   o f P r ed ictive  C o n tr o ller   (   A lir e z a   R eza ee )   215   d.   B ec au s e  r ep licatio n   is   r eq u ir ed   f o r   s cien tific   p r o g r ess ,   p ap er s   s u b m it ted   f o r   p u b licatio n   m u s t  p r o v id e  s u f f icie n t   in f o r m atio n   to   allo w   r ea d er s   to   p er f o r m   s i m ila r   ex p er im e n t s   o r   ca lcu latio n s   an d   u s e  th e   r ep o r ted   r esu lts .   A lt h o u g h   n o t  ev er y t h i n g   n ee d   b e  d is clo s ed ,   a  p ap er   m u s t   co n tai n   n e w ,   u s e ab le,   an d   f u l l y   d escr ib ed   in f o r m at io n .   Fo r   ex a m p le,   a  s p ec i m en ’ s   ch e m ical  co m p o s i tio n   n ee d   n o t b e   r ep o r ted   if   t h e  m ai n   p u r p o s e  o f   a   p ap er   is   to   i n tr o d u ce   a   ne w   m ea s u r e m e n t   tec h n iq u e.   Au th o r s   s h o u ld   ex p ec t   to   b e   ch al len g ed   b y   r e v ie w er s   i f   th e  r es u lt s   ar e  n o t su p p o r ted   b y   ad eq u ate  d at a  an d   cr itical  d etails.   e.   P ap er s   th at  d escr ib e   o n g o in g   w o r k   o r   an n o u n ce   t h e  latest   t ec h n ica l  ac h ie v e m e n t,  w h ich   ar e  s u itab le  f o r   p r es en tatio n   at  a  p r o f es s io n al  co n f er en ce ,   m a y   n o t b e  ap p r o p r iate  f o r   p u b licatio n .       RE F E R E NC E S   [1 ]   G u a n g ,   L i. ,   L e n n o x ,   B. ,   Zh e n g tao ,   Din g . ,   2 0 0 5 ,   In f in it e   h o riz o n   m o d e l   p re d ictiv e   c o n tro l  f o r  trac k in g   p ro b lem s,   [2 ]   Co n tr o l  a n d   A u to m a ti o n , .   ICCA   ' 0 5 .   In tern a ti o n a l   Co n f e re n c e   o n ,   p a g e s   516 – 5 2 1 .   [3 ]   Ca m a c h o ,   E. F . ,   Bo r d o n s,  C. ,   1 9 9 9 .   M o d e l  P re d ictiv e   Co n tro l   ,   S p ri n g e r - V e rlag   2   e d it i o n .   [4 ]   Na g y ,   Z.   ,   F ra n k e ,   R. ,   M a h n ,   B . ,   A ll g ,   o we r,   F . ,   2 0 0 5 ,   Re a l - ti m e   im p le m e n tatio n   o f   n o n li n e a r  m o d e l  p re d ictiv e   c o n tro l  o f   in it e   ti m e   p ro c e ss e s  in   a n   in d u strial , f ra m e w o r k .   In   In tern a ti o n a l  W o rk sh o p   o n   A ss e ss m e n t  a n d   F u tu re   Dire c ti o n s o f   No n li n e a r  M o d e l  P r e d ictiv e   Co n tro l,   G e r m a n y ,   p a g e s   4 8 3 - 4 9 0 .   [5 ]   L ik a r,   B. ,   Ko c ij a n ,   J.,   2 0 0 7 ,   P re d ictiv e   c o n tro l  o f   a   g a s - li q u id   se p a ra ti on   p la n t  b a se d   o n   a   G a u ss ian   p ro c e ss   m o d e l.   Co m p u ters   &   Ch e m ic a l   En g in e e rin g ,   3 1 (1 ): 1 4 2 – 1 5 2 .   [6 ]   Ha u g e ,   T . A . ,   S lo ra ,   R.   a n d   L ie,  B. ,   M o d e l  P re d ictiv e   Co n tr o l   o f   a   No rsk e   S k o g   ,   P re li m in a ry   S tu d y ,   in   p ro c e e d in g s o f   Co n tro l   S y ste m s,2 0 0 2 ,   Ju n e   3 - 5 ,   S to c k h o lm ,   S w e d e n ,   p a g e s 7 5 - 7 9 .   [7 ]   G a r c ia,  C. E. ,   P re tt ,   D.M ,   M o r a ri,   M . ,   1 9 8 9 .   M o d e l  P re d ictiv e   Co n tro l:   T h e o ry   a n d   P ra c ti c e ,   A   S u rv e y .   A u to m a ti c a ,   2 5 (3 ): 3 3 5 - 3 4 8 .   [8 ]   A li re z a   Re z a e e ,   " Ge n e ti c   s y m b i o sis  a lg o rit h m   g e n e ra ti n g   T e st   d a ta  f o r  c o n stra in t  a u to m a ta   " ,   A p p li e d   a n d   Co m p u tatio n a l  M a th e m a ti c s., V OL . 7 ,   NO . 1 , A z e rb a ij a n ,   A P RIL 2 0 0 8   p p 1 2 6 - 1 3 7 .   [9 ]   Ko u v a rit a k is,   B. ,   Ca n n o n ,   M . ,   C o u c h m a n ,   P . ,   2 0 0 6 ,   M P C  a s  a   to o l  f o r  su sta in a b le  d e v e lo p m e n t  in teg ra ted   p o li c y   a ss e ss m e n t.   IEE E  T ra n sa c ti o n s  o n   A u to m a ti c   Co n tro l,   5 1 (1 4 5 – 1 4 9 ).   [1 0 ]   Be ll e m a n s,  B. ,   S c h u tt e r,   D.,   De   M o o r ,   B. ,   2 0 0 6 ,   M o d e l  p re d ictiv e   c o n tro l  f o r  ra m p   m e terin g   o f   m o t o rw a y   tra ff ic:   A   c a se   stu d y ,   Co n tro l   E n g in e e rin g   P ra c ti c e ,   1 4 (7 ):   7 5 7 - 7 6 7 .   [1 1 ]   V a n   D e n   Bo o m ,   T . J.J.,   De   S c h u tt e r,   B. ,   2 0 0 6 .   M P C  o f   im p li c it   s w it c h in g   m a x - p lu s - li n e a r  d isc re te  e v e n t     s y ste m s - T i m in g   a sp e c ts,   P r o c e e d in g s  o f   th e   8 th   In ter n a ti o n a l  W o rk sh o p   o n   Disc re te  Ev e n t   S y ste m s   (W OD ES ' 0 6 ),   A n n   A rb o r,   M ich i g a n ,   p a g e s 4 5 7 - 4 6 2 .   [1 2 ]   A z e v e d o ,   C. ,   P o ig n e t,   P . ,   Esp iau ,   B. ,   2 0 0 2 .   M o v in g   h o rizo n   c o n tr o l   f o r  b ip e d   ro b o ts  w it h o u t  re f e re n c e   traje c to r y .   In   IEE E   In tern a t io n a l   Co n f e re n c e   o n   R o b o ti c s an d   A u to m a ti o n ,   p a g e s 2 7 6 2 – 2 7 6 7 .   [1 3 ]   S h rid h a r,   R. ,   Co o p e r,   J.,   1 9 9 7 .   A  T u n in g   S trate g y   f o r  Un c o n stra in e d   S IS O  M o d e l  P re d ic ti v e   Co n tro l.     En g lan d :  C h e m .   [1 4 ]   A li r e z a   Re z a e e ,   " Us in g   G e n e ti c   A l g o rit h m s  f o r  De sig n in g   o f   F IR   Dig it a l  F il ters   " , ICTACT  jo u rn a l  o n   S o f t  c o m p u ti n g ,   v o lu m e   0 1 ,   issu e   0 1 , I n d ia,j u ly 2 0 1 0 ,   IS S N 0 9 7 6 - 6 5 6 1 ,   p p   1 8 - 2 2 .   [1 5 ]   Ax e h il l  D.,   2 0 0 4 .   A   P re p r o c e ss in g   A l g o rit h m   w it h   A p p li c a ti o n s  t o   M P C,   4 3 th   IEE E   Co n f e re n c e   o n   De c isio n   a n d   Co n tr o l   [1 6 ]   Ax e h il a ,   D.,   2 0 0 4 .   A   P re p ro c e ss in g   A l g o rit h m   w it h   A p p li c a ti o n s t o   M P C,   F if th   Co n f e re n c e   o n   Co m p u ter S c ien c e   a n d   S y ste m s E n g in e e rin g ,   No rrk ö p in g ,   S w e d e n ,   Oc to b e r  2 1   [1 7 ]   Do u g h e rty   D.,   Co o p e r,   D.,   2 0 0 4 .   A   p ra c ti c a l  m u lt ip le m o d e l  a d a p ti v e   stra teg y   f o r  sin g le - lo o p   M P C   [1 8 ]   G il b e rt,   E.   G . ,   T a n . ,   1 9 9 1 .   K . ,   L in e a r  sy st e m   w it h   sta te  a n d   c o n t ro l   c o n stra in ts:   T h e   th e o ry   a n d   a p p li c a ti o n   o f   m a x i m a l  o u tp u t  a d m issib le   se ts.   IEE E  T ra n sa c ti o n s o n   A u to m a ti c   Co n tr o l,   3 6 : 1 0 0 8 - 1 0 2 0 .   [ 19 ]   D.  G u ,   H.  Hu ,   M .   Bra d y ,   F .   L i,   1 9 9 7 ,   Na v ig a ti o n   S y ste m   f o r   A u to n o m o u s  M o b il e   Ro b o ts  a t  Ox f o rd ,   P r o c e e d in g s  o f   In tern a ti o n a l   W o rk sh o p   o n   Re c e n t  A d v a n c e s in   M o b il e   R o b o ts,   L e ic e ste r,   U.K. , 1 - 2 :  2 4 - 3 3 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.