T E L K O M N I K A  T elec o m m un ica t io n,  Co m pu t ing ,   E lect ro nics   a nd   Co ntr o l   Vo l.   18 ,   No .   5 ,  Octo b er   2 0 2 0 ,   p p .   2 6 4 2 ~ 2 6 5 3   I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0 ,   ac cr ed ited   First Gr ad e  b y   Kem en r is tek d i k ti,  Dec r ee   No : 2 1 /E/KPT /2 0 1 8   DOI :  1 0 . 1 2 9 2 8 /TE L KOM NI K A. v 1 8 i5 . 1 4 7 1 7     2642       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //jo u r n a l.u a d . a c. id /in d ex . p h p /TELK OM N I K A   Ba la ncing  a Seg wa y  robo t  using  LQ R  co ntroller  ba sed o n  g enetic  a nd  ba cte ria  f o ra g ing  optimiza tion a lg o rithms       I bra him   K .   M o ha m m ed,   Ab du lla   I .   Ab du lla   S y ste m s a n d   C o n tr o l  E n g in e e rin g   De p a rtme n t,   Co ll e g e   o f  El e c tro n i c s  En g i n e e rin g ,   Nin e v a h   Un i v e rsi ty ,   Ira q       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   2 9 ,   2 0 1 9   R ev is ed   Feb   1 1 ,   2 0 2 0   Acc ep ted   Ma r   2 3 ,   2 0 2 0       A   t w o - w h e e l e d   s i n g l e   se a t  S e g w a y   r o b o t   i s   a   s p e c ia l   k i n d   o f   w h e e le d   m o b i l e   r o b o t ,   u s i n g   i t   a s   a   h u m a n   t r a n s p o r t e r   s y s t e m   n e e d s   a p p l y i n g   a   r o b u s t   c o n t r o l   s y s t e m   t o   o v e r c o m e   i t s   i n h e r e n t   u n s t a b l e   p r o b l e m .   T h e   m a t h e m a t ic a l   m o d e l   o f   t h e   s y s t e m   d y n a m i c s   i s   d e r i v e d   a n d   t h e n   s t a t e   s p a c e   f o r m u l a t i o n   f o r   t h e   s y s t e m   i s   p r e s e n te d   t o   e n a b l e   d e s i g n   s t a te   f e e d b a c k   c o n t r o l l e r   s c h e m e .   I n   t h is   r e se a rc h ,   a n   o p t i m a l   c o n t r o l   s y s t e m   b a s e d   o n   l i n e a r   q u a d r a t i c   r e g u l a t o r   ( L Q R)  t e c h n i q u e   i s   p r o p o s e d   t o   s t a b i l i z e   t h e   m o b i l e   r o b o t .   T h e   L Q R   c o n t r o l l e r   i s   d e s i g n e d   t o   c o n t r o l   t h e   p o s i t i o n   a n d   y a w   r o t a t i o n   o f   t h e   t w o - w h e e l e d   v e h i c l e .   T h e   p r o p o s e d   b a l a n c i n g   r o b o t   s y s t e m   i s   v a l i d a t e d   b y   s i m u l a t i n g   t h e   L Q R   u s in g   M a t l a b   s o f t w a re .   T w o   t u n i n g   m e t h o d s ,   g e n e t i c   a l g o r i t h m   (G A)   a n d   b a c t e ri a   f o r a g i n g   o p t i m i z a t i o n   a l g o r i t h m   ( B F OA )   a re   u s e d   t o   o b t a i n   o p t i m a l  v a l u e s f o r  c o n t r o l l e r   p a r a m e t e rs .   A   c o m p a r i s o n   b e t we e n   t h e   p e r f o rm a n c e   o f   b o t h   c o n t r o l l e r s    GA - L Q R   a n d   B F O - L Q R   i s   a c h i e v e d   b a s e d   o n   t h e   s t a n d a r d   c o n t r o l   c r i t e r ia  w h i c h   i n c l u d e s   r i s e   t i m e ,   m a x im u m   o v e r s h o o t ,   s e t t l i n g   t i m e   a n d   c o n t r o l   i n p u t   o f   t h e   s y s t e m .   S im u l a t i o n   r e s u l ts   s u g g e s t   t h a t  t h e   B F OA - L Q R  c o n t r o l l e r    c a n   b e   a d o p t e d   t o   b a l a n c e   t h e   S e g w a y   r o b o t   w i t h   m i n i m a l   o v e r s h o o t   a n d     o s c i l l a t i o n   f r e q u e n c y .   K ey w o r d s :   B ac ter ia  f o r ag in g   o p tim izati o n   alg o r ith m   Gen etic  alg o r ith m   L QR   co n tr o ller   Seg way   r o b o t   Yaw   r o tatio n   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r  th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   I b r ah im   K.   M o h am m e d ,     Sy s tem s   an d   C o n tr o l E n g i n ee r in g   Dep ar tm en t,     C o lleg e  o f   E lectr o n ics E n g in e er in g ,     Nin ev ah   Un iv er s ity ,     Mo s u l,  I r aq .   E m ail:  ib r ah im . m o h am m ed @ u o n in e v ah . ed u . iq       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e   S e g w a y   r o b o t   i s   a n   el e ct r i c ,   t w o - w h ee l e d   s e l f - b a l a n c in g   h u m a n   t r a n s p o r t e r   w i t h   a   c o m p u t e r - c o n t r o l l e d   g y r o s c o p i c   s t a b i li z at i o n   a n d   c o n t r o l   s y s te m .   T h i s   n e w   v e h i c l e   is   a   c o m p l e x   a n d   h y b r i d   m a c h i n e   t h a t  r e q u i r e s   e n g i n e e r i n g   c o m p e t en c e   i n   m a n y   f ie l d s ;   v e h i cl e   d y n a m i c s ,   a u t o m at i c   c o n t r o l ,   b a t t e r y   t ec h n o l o g y ,   p o w e r   e l e c t r o n ic s ,   s o f t wa r e  e n g i n e e r i n g ,   m i c r o c o m p u t er   p r o g r a m m i n g ,   n e t w o r k   an d   c o m m u n i c a t i o n   e n g i n e e r i n g .   T h e   t w o - w h e e l e d   r o b o t   w a s   r e v e a l e d   b y   D e a n   K a m e n   i n   2 0 0 1   t o   r e p l a c e   t h e   c a r   o r   b u g g i e s   w h i c h   wer e   m o r e   p o l l u t i n g   [ 1 ] .   T h e   p e r s o n a l   t r a n s p o r t e r   h a s   t h e   w i d e   a p p l i c a t i o n s   i n   t h e   m i l it a r y   a n d   c i v i l i a n   f i e l d   d u e  t o   i ts   s i m p l e  c o n s t r u c t i o n ,   h ig h   e n e r g y   u s i n g   r at e ,   s t a b le   m o v e m e n t   a n d   a b i li t y   t o   a d ap t   w it h   s u r r o u n d i n g   e n v i r o n m e n t a l   c o n d i t i o n s .   H o w e v e r ,   t h e   s i n g l e - s e a t   r o b o t   f ac e s   m a n y   c h a ll e n g e s   r el a t e d   to   n o n l i n e a r i t y ,   h i g h   o r d e r   v a r i a b l e s ,   s t r o n g   c o u p l i n g   a n d   i n h e r e n t   u n s t a b l e  d y n a m i c s   o f   t h e   s y s t e m .   T h e r e f o r e ,   b a l a n c e   p r o b l e m   a n d   d e v e l o p m e n t   o f   t h i s   t y p e   o f   v e h i c l e   is   a   h o t   r e s e a r c h   t o p i c   o f   i n t e r e s t  t o   m a n y   r o b o t i cs   la b o r a t o r i e s   a r o u n d     t h e   w o r l d .   S e g w a y   is   a  k n o w n   t w o - w h e e le d   s i n g l e - s ea t   m o b il e   r o b o t   w h i c h   h as   b e e n   u t i li ze d   a s   a  c o m m e r c i al  p e r s o n a l   t r a n s p o r t a ti o n   v e h i c l e.   I n   t h e   S e g w a y   r o b o t i c  s y s t e m   a   c o l le c t i o n   o f   t i lt s e n s o r s   a n d   f i v e   g y r o s c o p e s   a r e  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         B a la n cin g   a   S e g w a y  r o b o t  u s in g   LQR  co n tr o ller   b a s ed   o n   g en etic  a n d …  ( I b r a h im  K .   Mo h a mme d )   2643   u s e d   t o   r e m ai n   t h e   h u m a n   u s e r   i n   t h e   s t r ai g h t   p o s it i o n   [ 2 ] .   M o r e o v e r ,   [ 3 ]   u s e   tw o   t e a m s ,   h u m a n   t r a n s p o r t e r   p l a t f o r m   ( H T )   a n d   r o b o t   m o b i l i t y   p la t f o r m   ( R M P ) ,   t o   c r e a te d   a   n e w   m o b i l e  r o b o t ,   c a l led   S e g w a y   S o c c e r .     T h e   w a l k i n g   r o b o t i c   s y s t e m   is   u s e d   t o   e x a m i n e   t h e   c o o r d i n a t i o n   o f   d y n a m i c a l l y   f o r m e d ,   m i x e d   p e r s o n a l - m o b i le  r o b o t   t e a m s   wi t h i n   t h e   d o m a i n   o f   a   t e a m   f u n c t i o n   t h a t   r e q u i r es  m a k i n g   a   d e ci s i o n   a n d   r e s p o n s e .     A n   i n i t i a l   m o d e l   o f   a   d i g i t a l l y   c o n t r o l l e d   m o b i l e   r o b o t   h a s   b e e n   c o n s t r u c t e d   i n   [ 4 ] .   I n   t h e   p r e s e n t e d   p r o t o t y p e ,   w h i c h   i s   b a s e d   o n   t h e   i n v e r t e d   p e n d u l u m ,   t h e   h u m a n   r i d e r   i s   s i m u l a te d   b y   a t t a c h i n g   w e i g h ts   to     t h e   s c h e m e .   A   l i n e a r   s t a te   f e e d b a c k   c o n t r o l l e r   i s   u s e d   t o   s ta b il i z e   t h e   p r o p o s e d   p e r s o n a l   m o b i l e   r o b o t   b a s e d   o n   s e n s o r y   i n f o r m a t i o n   f r o m   m o to r   e n c o d e r s   a n d   a   gy r o s c o p e .   A   n e w   t w o - w h e el e d   i n v e r t e d   p e n d u l u m   m o b i l e   r o b o t   i s   p r e s e n t e d   b y   [ 5 ] .   A   c o n t r o l   s y s t e m   b a s e d   o n   p o l e   p l a c e m e n t   t e c h n i q u e   i s   d e s i g n e d   t o   s t a b i l i ze   t h e   r i d e r   i n   a n   u p r i g h t   p o s i t i o n .   I t   i s   wo r t h   c o n s i d e r i n g   t h a t ,   t h e r e   a r e   a n o t h e r   m o d e l s   f o r   t w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n ci n g   h u m a n   v e h i c l e s   i n v e n t e d   b y   r o b o t i c   e n g i n e e r s .   I n   2 0 0 3 ,   D a v i d   P .   A .   b u i l t   t h e   N b o t   b a l a n c i n g   r o b o t   u s e d     a   h u m a n   t r a n s p o r t e r   p r o v i d e d   b y   a   l i n e a r   c o n t r o l l e r   u s e d   t o   s t a b i l i ze   t h e   s y s t e m   u s i n g   i n f o r m a t i o n   f r o m   m o t o r   e n c o d e r   a n d   t h e   i n e r t i a l   s e n s o r .   F u r t h e r m o r e ,   [ 6 ]   h a s   s u c c e s s f u ll y   f a b r i c a t e d   a   n e w   m o d e l   o f   r o b o t   c a l l e d   L e g w a y   b a s e d   o n   Mi n d s t o r m s   r o b o t i c s   k it .   A   l i n e a r   c o n t r o ll e r   i s   u s e d   t o   s t a b i l iz e   t h e   e l ec t r i c   v e h i cl e   b as e d   i n f o r m a t i o n   o f   t h e   t i l t   a n g l e   o b t a i n e d   f r o m   t w o   e l e c t r o - o p t i ca l   p r o x i m i t y   d e t e c t o r   ( E O P D )   s e n s o r s .   H o w e v e r ,   f i n e   t u n i n g   f o r   t h e   c o n t r o l l e r   p a r a m e t e r s   is   r e q u i r e d   t o   a c h i e v e   a   p e t e r   p e r f o r m a n c e .   H u s s i e n   e t   a l .   [ 7 ]   i n t r o d u c e d   a n o t h e r   m o d e l   f o r   t w o - w h e e le d   m o b i l e   r o b o t .   N o n l i n e a r   co n t r o l   s y s t e m   b as e d   o n   m o d e l   r e f e r e n c e  a d a p t i v e  c o n t r o l   ( M R AC )   u s i n g   L p a y u n o v s   s t a b i l it y   t h e o r e m   i s   e m p lo y e d   t o   b a l a n c e   t h e   p r o p o s e d   s i n g l e - s e a t   e l ec t r i c  v e h i c l e .   S i m u l at i o n   a n d   e x p e r i m e n t a l   r es u lt s   a r e   p r e s e n t e d   to   v a l i d a t e   t r a c k i n g   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   p r o p o s e d   r o b o t   a c t u a t i o n   s y s t e m .   H o we v e r ,   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   r o b o t   c o n t r o l   s y s t e m   is   b a s ed   o n   t h e   c o n t r o l l e r   c o e f f i c i e n ts ,   w h i c h   a r e   c h o s e n   a r b i t r a r y ,   t h e r e f o r e ,   f o r   p e t e r   p e r f o r m a n c e   a n   o p t i m i z a t i o n   a l g o r i t h m   s h o u l d   b e   u s e d .   A ll   t h e  p r o p o s e d   c o n t r o l l e r s   u s e d   t o   s t a b i li z e   t h e   m o b i l e   r o b o t s   a r e   n o t   o p ti m i z e d   u s i n g   o p t i m i z a ti o n   m e t h o d s ,   t h e   g a i n   p a r a m e t e r s   a r e   o b t a i n e d   u s i n g   t r i a l   a n d   e r r o r   p r o c e d u r e .   I n   o r d e r   t o   a c h i e v e   a   s t a b l e   a ct u a t i o n   p e r f o r m a n c e   f o r   m o b i l e   r o b o t   s y s te m   a   p r o p e r   c o n t r o ll e r   t ec h n i q u e   b a s e d   o n   t u n i n g   al g o r i th m   s h o u l d   b e   u s e d .  T h e   l i n e a r   q u a d r a t i c   r e g u l a t o r   ( L Q R )   is   a m o n g   m o s t   p o p u l a r   l i n e a r   s t at e   f e e d b a c k   c o n t r o l le r s   i m p l e m e n te d   i n   f i e l d   o f   i n d u s t r i a l   a p p li c a ti o n s .   T h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   t h e   L Q R c o n t r o ll e r   can   be   no t i c e d   b y   r e s e a r c h   w o r k s   p u b l i s h e d   b y   [ 4 ,  8 - 1 1 ] .     I n   th is   s tu d y ,   th e  L QR   co n t r o ller   is   ad o p te d   to   im p lem e n t  th e  co n tr o l  s y s tem   u s ed   t o   b alan ce     th e  two - r o u n d   h u m an   v e h icle  as  it  s ee k s   b asically   a  tr ad e  o f f   b etwe en   th e  b est  co n t r o l   p er f o r m an ce   an d   m in im u m   p o wer   in p u t  [ 1 2 ,   1 3 ] .   Ho wev er ,   u s in g   th is   co n tr o ller   ap p r o ac h   in clu d es  m an y   p r o b lem s   an d   d is ad v an tag es  s u ch   as  r ely in g   o n   th e  d esig n er   ex p er ien ce   an d   s k ill  an d   th e  tr ial  an d   er r o r   p r o ce d u r e  in     th e  d eter m in e  o f   th e  co n tr o ller   weig h tin g   m atr ices     an d   .   T h er ef o r e ,   th er e  is   a  en o r m o u s   co n ce r n   b y   r o b o tic  e n g in ee r s   in   co m p u te r - aid ed   o p tim izatio n   alg o r ith m s   th at  ca n   b e   co n s id er e d   t o   o b tain   th e  g l o b al  o p tim u m   s o lu tio n   o f     an d     m atr ices..   T h er e  ar e  m an y   o p tim izatio n   ap p r o ac h es  th at  h av e  b ee n   ad o p ted   b y   co n tr o l  en g in ee r s   to   o b tain   o p tim u m   v alu es  f o r   elem e n ts   o f   L QR   m atr ices,  s u c h   as  a   p ar ticle  s war m   in s p ir e d   ev o l u tio n ar y   alg o r ith m     ( PS - E A) ,   p ar ticle  s war m   o p t im izatio n   ( PS O) ,   g e n etic  al g o r ith m   ( GA)   [ 1 4 ] ,   c o m b in atio n   o f   s im u lated   an n ea lin g   ( SA)   an d   GA  [ 15 ] ,   d if f er en tial  ev alu atio n   ( DE )   [ 16 ]   an d   an t  co lo n y   o p tim iz atio n   ( AC O)   [ 17 ] .   T h ese  in tellig en t  o p tim izatio n   to o ls   m ak e  th e  L QR   co n tr o ller   s y s tem   v er y   r o b u s t,  an d   in s en s itiv e  to   n o is y   an d /o r   m is s in g   d ata.   B ac ter ia  f o r ag in g   o p tim izatio n   alg o r ith m   ( B FOA)   is   a  n ew  tu n in g   alg o r ith m   th at  ca n   b e   ap p lied   to   o p tim ize  th e   co s t  f u n ctio n   o f   s ev er al  p r o b lem s   in   d if f er e n t  ap p licatio n   f ie ld s .   T h e  B FOA  is     a  co m b in ato r ial  o p tim i za tio n   alg o r ith m   wh ich   ap p lied   to   a ch iev e  th e  b est  g l o b al  s o lu tio n   f o r   th e   p r o p o s ed   L QR   co n tr o ller .   I t  is   wo r th   c o n s id er in g   th at  th e r e  is   a   s ig n if ican t  im p r o v em e n t  in t h e  c o n tr o l  r esp o n s e  o f     th e  L QR   co n tr o ller   is   ac h iev ed   b y   u s in g   th ese  tu n in g   alg o r ith m s ,   h o wev er ,   th e  r esear ch   wo r k   is   s till   o p en   to   ex p lo r e  f o r   f u r t h er   c o n tr o ller   im p r o v em e n ts   an d   d ev elo p m e n ts .   I n   th is   r ese ar c h ,   two   t u n i n g   alg o r ith m s ,   GA  an d     B FOA   ar e  u tili ze d   to   im p r o v e  th e  b eh av i o r   o f   th e  L QR   co n tr o ller .     T h e  r em ain d er   o f   th e  p a p er   is   o r g an is ed   as  f o llo ws:   s ec tio n   2  p r esen ts   m o d ellin g   an d   d y n am ics   o f   th e  p r o p o s ed   two - wh ee led   s elf - b alan cin g   h u m an   r o b o t.  I n   s ec tio n   3 ,   th e   tech n iq u e  o f   th e   co n tr o ller   s y s tem   is   in tr o d u ce d .   Sectio n   4 ,   p r esen t s   o p tim izatio n   m eth o d s   o f   L QR   co n tr o ller .   Sectio n   5   an d   s ec tio n   6   in tr o d u ce   co n tr o ller   d esig n   a n d   s im u lat io n   r esu lts   o f   GA - L QR   an d   s ec tio n   7   in tr o d u ce   B FOA - L QR   co n tr o ller s   f o r     th e  r o b o t sy s tem   r esp ec tiv ely .   C o n clu s io n s   an d   f u t u r e  wo r k   a r e  p r esen ted   in   s ec tio n   8 .       2.   SYST E M   M O D E L I NG     T h e  p er f o r m a n ce   o f   a  walk in g   r o b o t  d e p en d s   o n   th e   r eli a b ilit y   o f   th e  s y s tem   m o d elin g   an d   r o b u s tn ess   o f   t h e  co n tr o ller   d esig n .   T h e   s tr u ctu r e  o f   th e   two - wh ee led   Seg way   p er s o n al  r o b o t  co m p o s es   m ain ly   o f   an   elec tr ical  s u b   s y s tem   an d   m ec h an ical  s u b s y s tem .   Fig u r e  1   d em o n s tr at e s   g r ap h ic  m o d el  o f     th e  Seg way   r o b o t.   I n   th is   s ec tio n ,   th e   m o tio n   eq u atio n   o f   th e  in v er ted   p en d u lu m   is   d er iv e d   an d   th e  d y n am ic   m o d el  o f   th e  m o to r s   is   f o r m u lated .   T h e  m o to r   m o d el  is   th en   u tili ze d   in   f o r m u latio n   th e   d y n am ic  m o d el  o f     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l ,  Vo l.  18 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 0 :    2 6 4 2   -   2653   2644   th e  p er s o n al   r o b o t  s ch em e   to   g iv e  a  f u n ctio n al  r elatio n s h i p   b etwe en   a p p lied   v o ltag e   to   t h e  DC   m o to r s   a n d   ad ju s tin g   m ag n etic  to r q u e   r eq u ir ed   to   s tab ilize  th e  h u m an   m o b ile  r o b o t.     2 . 1 .     E lect rica l su bs y s t em   mo delin g   T h e  m ain   p ar t  o f   th e  elec tr ic  s u b   s y s tem   is   th e  D C   m o to r s ,   wh ich   ar e  u s ed   to   r o tate  th e  lef t  an d   r ig h t   wh ee l  o f   th e  r o b o t.  T h e  elec t r ic  cir cu it  o f   th e  DC   m o to r   is   s h o wn   in   Fig u r e  2 .   A p p ly in g   v o ltag e     ( )   to     th e  m o to r   te r m in als  g en er ates  a  cu r r en t   ( )   ( )   in   th e  m o to r   ar m at u r e.   T h e   ex cited   m o to r   p r o d u c es  a  to r q u e   (  )   g o v er n ed   b y   th e  f o llo win g   r el atio n s h ip .     =   ( 1 )     wh er e    is   to r q u e  c o n s tan t  (  / ) .   T h e  b ac k   elec tr o m o tiv e  ( em f )   v o ltag e     ( )   p r o d u ce d   in     th e   m o to r   c o il   can   be   ap p r o x i m ated   as a   lin ea r   f u n ctio n   o f   m o to r   an g u lar   v elo city   ̇   (  / ) ,   as f o llo ws:     = ̇   ( 2 )     wh er e    is   to r q u e  co n s tan t  (  /  ) .  Ap p ly in g   Kir ch o f f ’ s   v o ltag e  law  to   th e  m o to r   cir cu it  s h o wn   in     Fig u r e  2   y ield s   th e   f o llo win g   ex p r ess io n :     V a = Ri + L di dt + V e   ( 3 )     I t  is   wo r th   co n s id er in g   th at  th e  d y n am ic  o f   th e  m ec h an ica l  s y s tem   i s   co n s id er ed   s lo w  c o m p ar ed   to   th at  o f   elec tr ical  s y s tem ,   th er ef o r e ,   t h e  cu r r en t  tr a n s ien ts   o f   th e   s y s tem   ca n   b e  o m itted .   Hen ce ,   s o lv in g   ( 3 )   f o r     th e  cu r r e n t y ield s :     = −   ( 4 )     b as ed   o n   ( 2 ) ,   ( 4 )   ca n   b e  wr itte n   as f o llo ws:     i = V a R − K e R θ ̇   ( 5 )     s u b s titu tin g   ( 5 )   in   ( 1 )   g iv es a n   ex p r ess io n   f o r   th e  to r q u e  p r o d u ce d   b y   DC   m o to r :     C = K m R V a − K m K e R θ ̇   ( 6 )             Fig u r e  1 .   Mo d el  o f   th e  two - w h ee led   r o b o t  [ 1 8 ]     Fig u r e  2 .   E lectr ic  m o d el  cir c u it o f   DC   m o to r       2 . 2 .    M ec ha nica l su bs y s t em   m o delin g   I t  co n s is ts   o f   ch ass is ,   wh ic h   b eh av io r s   as  in v er ted   p en d u lu m ,   an d   th e  lef t  an d   r ig h t  wh ee ls .     I n   th is   s tu d y ,   th e  p a r am eter   o f   m ass ,   r ad iu s   an d   m o m e n t  o f   in er tia  o f   t h e  two   wh ee ls   ar e   ass u m ed   th e  s am e.   B ased   o n   th is   ass u m p tio n   th e   d y n a m ic  m o d elin g   o f   th e  r i g h t  wh ee l  is   th e   s am e  as  th a t  o f   th e  lef t  wh ee l.     I n   th is   r esear ch ,   f o r m u latio n   o f   th e  r ig h t  wh ee l  m o d el  is   co n s id er ed   in   d et ail.   I t  is   wo r th   co n s id er in g   th at     th e  m o d elin g   s tr ateg y   o f   th e  m ec h an ical  r o b o t  s u b s y s tem   is   b ased   o n   an   id ea   th at  th e  d y n am ics  o f     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         B a la n cin g   a   S e g w a y  r o b o t  u s in g   LQR  co n tr o ller   b a s ed   o n   g en etic  a n d …  ( I b r a h im  K .   Mo h a mme d )   2645   th e  in v e r ted   p en d u lu m   an d   w h ee ls   ar e  m o d eled   s ep ar ately   at  th e  b eg in n i n g ,   an d   th e n   e q u atio n s   o f   m o tio n   wh ich   co m p letely   d es cr ib e  th e   d y n am ic  b eh av i o r   o f   th e  s y s tem   ar e  d er i v ed   [ 19 ].     2 . 2 . 1 .     Wheel  m o del   Fig u r e  3   p r esen ts   th e  f r ee   b o d y   d iag r am   o f   th e  lef t  an d   r ig h t  wh ee ls   f o r   th e  m o b ile  Seg way   tr an s p o r t   s y s tem .   Usi n g   s ec o n d   New to n ’ s   law  o f   m o tio n ,   th e  s u m   o f   th e  ex ter n al  f o r ce s   ( )   ex er ted   o n   th e  w h ee l,  wh ich   g o v e r n s   its   tr an s latio n   m o tio n   in   t h e  h o r izo n tal  x - d ir e ctio n   is   g iv en   b y   [ 2 0 ] .     ∑ F x = M w a   ( 7 )       M w x ̈ = H f − H   ( 8 )           Fig u r e  3 .   Fre e  b o d y   d iag r am   o f   th e  r o b o t w h ee ls       wh er e  (  )   is   th e  w h ee l  m ass   o f   th e  r o b o t,   a   is   th e  g r av ity   ac ce ler atio n   ( / 2 )   an d is   th e  f r ictio n   f o r ce   b etwe en   g r o u n d   an d   w h ee ls ( ) .   W h ile  th e  r o tatio n al  m o ti o n     o f   th e  wh ee l is g iv e n   b y : g o     ∑ M o = I w θ ̈ w   ( 9 )     I w θ ̈ w = C − H f r   ( 1 0 )     wh er e    (  2 )   an d   ̈   ( / 2 )   ar e  m o m e n t  o f   i n er tia  an d   ac ce ler atio n   o f   th e   wh ee ls   r esp ec tiv ely ,   an d   r   is   th e  r ad iu s   o f   wh ee l  ( ) .   B ased   o n   ( 6 ) ,   th e  a b o v e   eq u atio n   b ec o m es:     I w θ ̈ w = K m R V a − K m K e R θ ̇ w − H f r   ( 1 1 )     H f = K m Rr V a − K m K e Rr θ ̇ w − I w r θ ̈   ( 1 2 )     wh er e  ̇ is   th e  an g u lar   v elo city   o f   wh ee l  ( / ) .   Su b s titu tin g   ( 1 2 )   i n to   ( 8 )   y ield s   ( 1 3 )   an d   ( 1 4 )   f o r   th e  lef t   an d   r ig h t w h ee ls   r esp ec tiv ely .     M w x ̈ = K m Rr V a − K m K e Rr θ ̇ w − I w r θ ̈ w − H L   ( 1 3 )     M w x ̈ = K m Rr V a − K m K e Rr θ ̇ w − I w r θ ̈ w − H R   ( 1 4 )     B ec au s e  th e  ce n ter   o f   th e  r o b o t  wh ee l  is   ac ted   b y   th e  lin ea r   m o tio n ,   th e  an g u lar   r o tatio n   o f   th e  wh ee l  ca n   b e  tr an s f o r m ed   in to   lin ea r   m o tio n   b y   th e  f o llo win g   s im p le  tr an s f o r m atio n ,   ̈ = ̈ → ̈ = ̈ / ,     ̇ = ̇ → ̇ = ̇ / .   B y   th e  lin ea r   tr an s f o r m atio n ,   ( 1 3 )   a n d   ( 1 4 )   b ec o m e  as f o llo ws:     M w x ̈ = K m Rr V a − K m K e R r 2 x ̇ w − I w r 2 x ̈ − H L   ( 1 5 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l ,  Vo l.  18 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 0 :    2 6 4 2   -   2653   2646   M w x ̈ = K m Rr V a − K m K e R r 2 x ̇ w − I w r 2 x ̈ − H R   ( 1 6 )     Ad d in g   ( 1 5 )   a n d   ( 1 6 )   to g eth e r   y ield s   th e  f o llo win g   ex p r ess io n ,     2 ( + 2 ) ̈ = 2  − 2 2 ̇ − ( + )   ( 1 7 )     2 . 2 . 2 .    Cha s s is   m o del   T h e  ch ass is   o f   th e   m o b ile   r o b o t  ca n   b e   m o d eled   as   an   in v er ted   p en d u lu m ,   Fig u r e  4   p r esen ts   th e  f r ee   b o d y   d iag r a m   o f   th e  c h ass is .   Ag ain ,   b ased   o n   New to n ’ s   law  o f   m o tio n ,   th e  s u m   o f   f o r ce s   ac tin g   o n     th e  ch ass is   in   th e  h o r izo n tal  x - d ir ec tio n   is   g iv en   b y   [ 2 0 ] :     ∑ F x = M p x ̈   ( 1 8 )     M p x ̈ = H L + H R − M p l θ p ̈ c os θ p + M p l θ ̇ 2 p s in θ p   ( 1 9 )     wh er e    is   th e  wh ee l  m ass   o f   th e  r o b o t   (  )   an d     is   th e  r o tatio n al  an g le  o f   th e  ch ass is   (  ) .   T h e   a b o v e  eq u atio n   is   r ea r r an g e d   as f o llo ws:     H L + H R = M p x ̈ + M p l θ ̈ p c os θ p − M p l θ ̇ 2 p s in θ p   ( 2 0 )     T h e  s u m   o f   p er p en d icu lar   f o r c es a ctin g   o n   th e  p en d u lu m   is :     ∑ F p = M p x ̈ c os θ p   ( 2 1 )     ( + )  + ( + )  −  − ̈ ̈ = ̈    ( 2 2 )     wh er e  an d     ar e  th e  r ea ctio n   f o r ce s   b etwe en   lef t  a n d   r i g h t  wh ee l  an d   c h ass is   ( )   r esp ec tiv el y   an d   ̈   is   ch ass is   an g u lar   ac ce ler atio n ( / 2 ) ,   s u m   o f   m o m en ts   ar o u n d   th e  ce n ter   o f   p en d u lu m   m ass   is   g iv e n   b y :     ∑ M o = I p θ ̈ p   ( 2 3 )     I p θ ̈ p = − ( H L + H R ) l c os θ p − ( P L + P R ) l s in θ p − ( C L + C R )   ( 2 4 )     w h e r e     a n d   ar e  th e  m o to r   to r q u e  ap p lied   to   lef t  an d   r ig h t  wh ee ls   r esp ec tiv ely   (  )   t h e   m o to r   t o r q u e   e x e r t ed   o n   t h e  p en d u l u m   ap p li e d   a s   d e f in ed   i n   ( 6 )   a n d   a f te r   l i n e ar   t r a n s f o r m a t i o n ,     C L + C R = 2 K m R V a − 2 K m K e R x ̇ r   ( 2 5 )     s u b s titu tin g   ( 2 5 )   i n to   ( 2 4 )   y ield s ,     I p θ ̈ p − 2 K m K e R x ̇ r + 2 K m R V a = − ( H L + H R ) l c os θ p ( P L + P R ) l s in θ p   ( 2 6 )     s u b s titu te  ( 2 6 )   in   ( 2 2 )   af ter   m u ltip ly   ( 2 2 )   b y ( − )   y ield s :      I p θ ̈ p − 2 K m K e R x ̇ r + 2 K m R V a + M p gl s in θ p + M p l 2 θ ̈ p ̈ = − M p l x ̈ c os θ p   ( 2 7 )                   Su m   o f   m o m en ts   ar o u n d   t h e  c en ter   o f   p en d u lu m   m ass   is   g iv en :     − M p l x ̈ c os θ p = ( I p + M p l 2 ) θ ̈ p − 2 K m K e R r 2 x ̇ + 2 K m Rr V a + M p gl s in θ p   ( 2 8 )     to   elim in ate   th e  ter m   ( + )   f r o m   th e   m o to r   d y n am ic  ( 2 0 )   is   s u b s titu ted   in   ( 1 7 ) .     2 K m Rr V a = ( 2 M w + I w r 2 + M p ) x ̈ + 2 K m K e R r 2 x ̇ + M p l θ ̈ p c os θ p − M p l θ ̇ 2 p ̈ s in θ p   ( 2 9 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         B a la n cin g   a   S e g w a y  r o b o t  u s in g   LQR  co n tr o ller   b a s ed   o n   g en etic  a n d …  ( I b r a h im  K .   Mo h a mme d )   2647   f o r   p u r p o s e  o f   d esig n   a  lin e ar   co n tr o l   s y s tem ,   th e   s y s tem   d y n am ic  ( 2 8 )   an d   ( 2 9 )   a r e  lin ea r ized   a b o u t     an   o p er atin g   p o in t  b ased   o n   th e  ass u m p tio n   = +   wh er e  d en o tes  an   an g le  m ea s u r ed   f r o m     th e  v er tical  u p war d   d ir ec tio n .   T h er ef o r e,    = − ,  = − 1   an d   ( /  ) 2 = 0   f o r   p u r p o s e  o f   s tate  s p ac e  r ep r esen tatio n ,   t h e  d y n a m ic  ( 2 8 )   an d   ( 2 9 )   ar e  r ewr itte n   as f o llo ws:       ϕ ̈ = M p I ( I p + M p I 2 ) x ̈ + 2 K m K e Rr ( I p + M p I 2 ) x ̇ + M p gI Rr ( I p + M p I 2 ) ϕ − 2 K m ( I p + M p I 2 ) V a     ( 3 0 )     x ̈ = 2 K m Rr K w V a − 2 K m K e R r 2 K w x ̇ + M p I R r 2 K w ϕ ̈   ( 3 1 )     wh er e  = 2 + 2 / 2 .   Af ter   a  s er ies o f   alg eb r aic  m an ip u latio n ,   th e  s tate  eq u atio n   b ec o m es:        [ ̇ ̈ ̇ ̈ ] = [         0 1 0 0 1 (  − − 2 ) 2 2 2 0 0 0 0 1 (  − ) 2 0 0 1 0 ] [ ̇ ̇ ] + [         0 2 ( + 2 −  )  0 2 ( − )  ]           ( 3 2 )     wh er e,   1 = 2 , = 2 + 2 2 +   an d   = [ + 2 2 ( + 2 ) ] .   I t   is   wo r th   co n s id er in g   th at   th e  s y s tem   m o d elin g   is   b ased   o n   th e  s u p p o s itio n   th at  b o t h   wh ee ls   o f   th e  walk in g   r o b o t a r e  ass u m ed   in   s tate  o f   co n tact  with   th e  g r o u n d   an d   with o u t  s lid in g .   C o r n er in g   f o r ce s   p r o d u ce d   b y   v eh icle  wh ee ls   d u r in g   co r n er i n g   ar e  also   co n s id er ed   n eg lig ib le  [ 1 9 ] .           Fig u r e  4 .   Fre e  b o d y   d iag r am   o f   th e  ch ass is       3.   CO NT RO L L E R  T E CH NIQ UE   I n   th is   r esear ch ,   L QR   tech n iq u e  is   u tili ze d   to   im p lem en t  th e  p r o p o s ed   r o b o t  co n tr o l  s y s tem .   L QR   is     a  co m m o n   c o n tr o ller   ap p r o ac h   u s ed   ef f ec tiv ely   i n   th e   co n tr o l   ap p licatio n s   o f   t h e  m o v em en t   s y s tem s .   Fig u r e  5   s h o ws  b lo ck   d iag r am   o f   th e  Seg way   r o b o t  co n tr o l  s y s tem   b ased   o n   L QR   co n tr o ller .   T h e  s tate  an d   o u tp u t  m atr ix   eq u atio n s   d escr ib in g   t h e  Seg way   r o b o t e q u atio n s   o f   m o tio n   ar e  g iv en   b y :     ̇ ( ) =  ( ) +  ( )   ( 3 3 )     ( ) =  ( ) +  ( )   ( 3 4 )     w h e r e   (  ) , (  ) , (  ) , (  )   a r e   t h e   s y s t e m ,   i n p u t ,   o u t p u t   a n d   f e e d   f o r w a r d   m a t r i x   r e s p e c t i v e l y .  I n   t h i s   a p p r o a c h ,   t h e   i n p u t   v e c to r :     ( ) = −  ( )   ( 3 5 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l ,  Vo l.  18 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 0 :    2 6 4 2   -   2653   2648   wh er e = [ 1 2 3 4 ]   is   an   o p tim al  f ee d b ac k   g ain   m atr ix   o f   th e  co n tr o ller   u s ed   to   tr ac k   th e  in p u t  co m m an d   wh ile  th e  f o llo win g   p er f o r m an ce   in d ex :     = ∫ ( ( ) ( ) ( ) + ( ) ( ) ( ) )  ∞ 0   ( 3 6 )     wh er e  ( )   an d ( )   ar e  weig h tin g   s tate   an d   in p u t  m atr ices  r esp ec ti v ely .   T h e  f ee d b ac k   g ain   m atr ix   K   c an   b e   d eter m in ed   b y   u s in g   th e  f o llo win g :      = − 1   ( 3 7 )     wh er e  P   d en o tes th e  s o lu tio n   o f   th e  f o llo win g   R icca ti:     +  −  − 1 + = 0   ( 3 8 )     T h e  co n tr o ller   weig h tin g   m atr ices  s h o u ld   b e   tu n e d   p r o p er ly   in   o r d er   to   m in im ize  th e   f o ll o win g   p e r f o r m an ce   in d ex   ) ( J :     = ∫ ( 11 1 2 + 22 2 2 + 33 3 2 + 44 4 2 + 2 )  ∞ 0   ( 3 9 )     wh er e  11 , 22 , 33   an d 44 q r ep r esen t  th e  weig h tin g   elem en ts   o f   p o s itio n ,   s p ee d ,   an g le  a n d   an g u lar   v elo city   o f   th e  p r o p o s ed   r o b o t  s y s tem   r e s p ec tiv ely .   I t  is   wo r th   co n s id er in g   th at  b y   u s in g   co n tr o ller   weig h tin g   m atr ices  ( )   an d   ( )   wh ich   g o v e r n   th e  b e h av io r   o f   th e  r o b o t  s y s tem   s tates  an d   co n tr o l  ef f o r t  r es p ec tiv ely ,     th e  o p tim al  L QR   g ain   m atr i x     is   co m p u ted   b ased   o n   t h e  Ma tlab   co m m a n d   ”  l q r ”.           Fig u r e  5 .   Seg way   r o b o t c o n t r o l sy s tem   u s in g   L QR   co n tr o ller       4.   L Q R  O P T I M I Z A T I O N  M E T H O DS   I n   th is   r esear ch ,   two   o p tim izatio n   alg o r ith m s ,   GA  an d   B FOA,   ar e  u s ed   to   tu n e   th e  ( )   an d   ( )   m atr ices  o f   th e  L QR   co n tr o ller ,   wh ich   ar e  ad o p ted   t o   ca lcu late  th e  g ain   m atr ix   r e q u ir ed   to   b ala n ce     th e  Seg way   s y s tem .   B a s ed   o n   o p tim ized   g ain   m atr ix     a  g o o d   o u tp u t tim e  r esp o n s e  with   m in im al  o f   r is e  tim e   ( ) ,   s ettlin g   tim e ( ) ,   m ax im u m   o v er s h o o t  (  )   an d   s tead y   s tate  er r o r (  )   c an   b e  in v esti g ated .       4 . 1 .     G enet ic  a lg o rit h m   GA  is   an   o p tim izatio n   tech n i q u e  u s ed   to   f in d   g lo b al   s o lu tio n   f o r   m o r e   co n t r o l   p r o b lem s .   B ased   o n     th e  m ec h an is m s   o f   n atu r al  s elec tio n .   I n   th is   o p tim izatio n   ap p r o ac h ,   th e  s o lu tio n   s p ac e  is   s elec ted   b y   g en er atin g   a  p o p u latio n   o f   ca n d id ate  in d iv id u als  to   f in d   o p tim u m   v alu es  f o r   th e   p r o b lem .   T h e  p r o ce d u r e  o f   GA  o p tim izatio n   m eth o d   i n cl u d es  th r ee   b asic  s tep s ,   n am el y   s elec tio n ,   cr o s s o v er   an d   m u tatio n .   B y   ap p ly in g   th ese  s tag es  n ew  in d iv id u als  ca n   b e  cr ea ted ,   wh ich ,   co u ld   b e  b etter   th an   th eir   p ar en ts .   B ased   o n   th e  f itn ess   f u n ctio n   o f   th e   s y s tem ,   th e   GA  s tep s   ar e  r e p ea ted   f o r   m an y   g e n er at io n s   a n d   ev en tu ally   s to p   at  g e n er atin g   ca n d id ate  in d iv id u al  elem en ts   th at  ca n   r ep r esen t  th e  b est  s o lu tio n   f o r   th e  ap p licatio n   p r o b lem   [ 1 4 ] .   Fig u r e  6   s h o ws th e  g r ap h ical  illu s tr atio n   o f   th e   GA  lo o p .     T h e  d ef i n itio n   o f   th e   GA  s tep s   is   as  f o llo ws  Ab d u lla   [ 14 ]:   R an d o m   in itial  p o p u latio n   -   C h o o s e   in d iv id u als  f o r   m atin g  -   Ma t e  th e  p o p u latio n   to   g en e r ate   p r o g en y   -   Mu tate  p r o g e n y   -   New   in d iv i d u als  in s er ted   in to   p o p u latio n   -   Ar e   cr iter ia  s atis f ied ?   -   E n d   o f   s o lu tio n   s ea r ch i n g .   E ac h   ch r o m o s o m e  r ep r esen ted   b y   f iv e   r ea l  v alu e   ce lls   th at  co r r esp o n d   to   th e  L QR   co n tr o lle r   weig h tin g   m atr ices   ( )   an d   ( )   as   s h o wn   in   Fig u r e   7.   T h e  ch r o m o s o m e   elem en ts   11 , 22 , 33 , 44   an d   R s h o u ld   b e  ad ju s ted   p r o p er ly   b y   o p tim u m   p o s itiv e  n u m b e r s   in   o r d er   to   a ch iev e  b est co n tr o l p er f o r m a n ce .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         B a la n cin g   a   S e g w a y  r o b o t  u s in g   LQR  co n tr o ller   b a s ed   o n   g en etic  a n d …  ( I b r a h im  K .   Mo h a mme d )   2649         Fig u r e  6 .   Gen etic  alg o r ith m   l o o p     Fig u r e  7 .   C h r o m o s o m e  d ef in it io n       4 . 2 .    B F O   a l g o rit hm   T h e  b ac ter ia  f o r a g in g   b eh av i o r   is   a  co m p u tatio n al  m o d el,   wh ich ,   h as  attr ac ted   m o r e  atten t io n   as  it  is   a  r ich   s o u r ce   o f   p o ten tial e n g i n ee r in g   ap p licatio n s .   B FO is a   s im p le  an d   p o wer f u l p o p u latio n - b ased   n u m er ical   o p tim izatio n   alg o r ith m   th at  h as  b ee n   in tr o d u ce d   b y   Pas s in o   in   2 0 0 2   [ 2 1 ] .   T h e  B FO  alg o r ith m   h as  b ee n   g ain in g   a  co n s id er ab le  in ter est in   r esear ch er s   d u e  to   its   ef f icien cy   in   s o lv in g   a n d   o p tim izin g   m o r e  en g in ee r in g   p r o b lem s   in   s ev er al  a p p licat io n   d o m ai n s ,   s u ch   as  o p tim al  co n tr o l  [ 2 2 ] ,   h ar m o n ic  esti m atio n   [ 2 3 ]   an d   tr an s m is s io n   lo s s   r ed u ctio n   [ 2 4 ] .   T h e  s tr ateg y   o f   b ac te r ia  s elec tio n   f o r   th e  B FO  alg o r ith m   b ases   o n   an   id ea   th at  th e  b ac ter ia  with   p o o r   f o r ag in g   is   elim in ated   an d   f o l lo win g   u p   th o s e  b ac ter ia  wh i ch   h av e  s u cc ess f u l  f o r ag in g   to   m ax im ize  en e r g y   o b tain ed   p er   u n it  tim e  [ 2 1 ] .   I t  is   wo r th   co n s id er in g   th at,   in   th is   n ew  o p tim izatio n   alg o r ith m   a  s o ci al  f o r ag in g   ap p r o ac h   o f   th e  E - co li  b ac ter ia  ca n   b e  ap p lied   s u cc ess f u lly   to   s o lv e   m u lti - o p tim al  f u n ctio n   o p tim i za tio n   p r o b lem .   T h e  E - co li  b a cter ia  ca n   m o v e  in   two   way s   n am ely ,   s wim m in g   an d   tu m b lin g .   Fig u r e  8   s h o ws  th e  s wim   an d   tu m b le  m o v em e n t o f   a  b ac ter iu m .           Fig u r e  8 .   m o v em e n t m o d es  o f   a  b ac ter iu m       4 . 3 .     B F O   f o ra g ing   s t r a t eg y   [ 2 5 ]     −   C h em o tax is :  T h is   p r o ce s s   is   r elate d   to   m o v em en t   o f   b ac ter i u m   d u r in g   s ea r ch   f o r   f o o d .   T h e  E - co li  b ac te r ia   ca n   m o v e  in   two   way s   n am el y ,   s wim m in g   an d   tu m b li n g ,   an d   th ey   ar e  ab le  to   alter n ate  b et wee n   th ese  two   m o v em en t  s ty les  f o r   th e  wh o le  o f   th eir   life tim e.   I n   th e  s wim m in g   m o d e ,   th e  b ac ter ia  w alk   in   a  ce r tain   d ir ec tio n   f o r   g ath e r in g   f o o d ,   wh ile  in   th e  tu m b lin g   m o d e,   t h ey   m o v e  with   r an d o m   d ir ec ti o n s .   −   Swa r m in g :  T h e  s war m in g   ac tio n   m ea n s   th e   b ac ter ia  with   a  g o o d   f itn ess   v alu e,   tr y   to   attr ac t  o th er s   to   f o r m   g r o u p s ,   s o   th at  th ey   all  ca n   ar r iv e  at  th e  d esire d   lo ca tio n .   T h ese  g r o u p s   o f   E - c o li  ce lls   ar r an g e  th em s elv es,  in   wh ich ,   th e y   ca n   m o v e  as c o n ce n tr ic  p atte r n s   f o r   f o o d   s ea r ch in g .     −   R ep r o d u ctio n :   I n   t h is   s tag e,   all  th e  b ac ter ia   p o p u latio n   ar e  class if ied   b ased   o n   h ea lth   s tatu s .     T h e  h ea lth ier   b ac ter ia,   wh ich ,   h av e   h a d   s u f f icien t  n u tr ien t s   will  b e  r e p r o d u ce d ,   wh ile  t h e  less   h ea lth y   b ac ter ia  will  d ie.   T h e   s u r v iv i n g   b ac ter ia  will  s p lit  i n to   a n   id en tical  r ep lica   o f   its elf   p lac ed   in   th e   s am e  lo ca tio n s   with   a  th at  n u m b er   e q u als to   th e  n u m b er   o f   th e   d ea d   o n es.    −   E lim in atio n   an d   Dis p er s al:  Du r in g   th is   ev o lu tio n ar y   s tep ,   g r ad u al  o r   s u d d e n   ev en ts   o r   attac k s   in     th e  lo ca l  l iv in g   en v ir o n m e n t  o f   th e  b ac ter ia,   m ay   o cc u r   d u e  t o   s ig n if ican t  r is in g   o f   th e  tem p er atu r e  ca u s ed   b y   o cc u p an cy   o f   a  h ig h   d en s ity   o f   b ac te r ia  f o r   a   s p ec if ic  ar e a.   T h is   h ig h   tem p er atu r e  m ay   k ill  a  g r o u p   o f   b ac ter ia  an d   d is p er s al  o f   o th e r s   in to   s o m e  n ew  lo ca ti o n s .       5.   RO B O T   CO N T RO L   S YS T E M   D E S I G N   I n   th is   r esear ch ,   an   o p tim al  c o n tr o l  s y s tem   f o r   th e   Seg way   r o b o t  is   d esig n e d   u s in g   th e  s tat e  f ee d b ac k   L QR   co n tr o ller .   T h e   g ain   p ar am eter s   o f   th e  c o n tr o ller   ar e  t u n ed   e f f ec tiv ely ,   u s in g   o p tim izatio n   alg o r ith m s ,     GA  an d   B FO A.   T h e  p r o p o s ed   co n tr o ller   d esig n   is   v alid ated   u s in g   Ma tlab   p r o g r am m i n g .   B ased   o n   s tep   in p u t ,   th e  co n tr o l  s y s tem   is   d esig n e d   f o r   th e  f o llo win g   r e q u ir em e n ts :  r is e  t im e  les s   th an   1 0   ( m s ) ,   s ettlin g   tim e  le s s   th an   3 0   ( m s ) ,   m ax im u m   o v er s h o o t  p er ce n tag e   less   th a n   5 %.   T h e  f itn ess   f u n ctio n   o f   th e  r o b o t  co n tr o l  s y s tem   is   as f o llo ws :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l ,  Vo l.  18 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 0 :    2 6 4 2   -   2653   2650   = . ,   +   . ,    + . ,     ( 4 0 )     wh er e    is   th e  clo s ed - lo o p   t r an s f er   f u n ctio n   o f   th e  Seg way   r o b o t   s ch em e    i s  th e   r is e   tim e   ( s ) ,     is     th e  m ax im u m   r is e  tim e  ( s ) ,     is   th e  s ettlin g   tim e  ( s ) ,      is   th e  m ax im u m   s ettlin g   tim e  ( s ) ,     is     th e  o v e r s h o o t   v alu e   o f   th e   o u tp u t  r esp o n s e  a n d      is   th e  m ax im u m   o v er   s h o o t  v al u e.   T h is   f u n ctio n   is   co n s id er ed   in   o p tim izatio n   p r o ce s s   o f   th e  co n tr o ller   g ain   m at r ix   u s in g   GA   an d   B FO tu n in g   alg o r ith m s .       6.   GA - L Q R  CO NT RO L L E R  DE S I G N  AND  R E SU L T S   T h e   b lo ck   d iag r am   o f   th e  Se g way   co n tr o l  s y s tem   u s in g   GA - L QR   co n tr o ller   is   s h o wn   in   Fig u r e  9 .   B ased   o n   th e  s y s tem   p ar am eter s   ( = 1 . 6 ,   = 1 . 2  ,   = 0 . 1 6 ,   = 0 . 0 2  ,   = 0 . 5 2  ,   = 0 . 0 0 3 2  2 ,   = 0 . 0 0 3 8    2 )  th e  s tate  an d   o u tp u t  eq u atio n   ar e  g i v en   in   ( 4 1 )   an d   ( 4 2 )   r esp ec tiv ely .   T h e  g lo b al  o p tim al   s o lu tio n   f o r   th e  L QR   co n tr o ller   p r o b lem   is   ac h iev ed   u s in g   g en etic  alg o r ith m   p r o g r a m m in g .   T h is   s o lu tio n   in clu d es  d eter m in e  o p tim u m   v alu es  f o r   th e  weig h tin g   m atr ic es  elem en ts ,   wh ich ,   ar e  g iv en   b elo w .     B ased   o n   t h e   o p tim ized   weig h tin g   m atr i ce s ,   th e  L QR   g ain   m atr ix   K was   co m p u ted   u s in g      th e  Ma tlab   co m m an d   “  ”  as   f o llo ws : =  ( 11 , 22 , 33 , 44 )   wh er e   11 =   8 . 9 6 9 . ,   22 = 0 . 3 0 8 ,   33 = 0 . 1 2 1 ,  44   =0 . 0 0 8 5 ,   = 2 . 1 2 3 * 10 − 5   an d   =   [ - 6 . 4 9 8 8   - 3 . 8 5 9 2   - 5 . 1 9 8 2   - 0 . 7 3 4 8 ] .     [ ̇ ̈ ̇ ̈ ] = [ 0 1 0 0 0 − 0 . 0316 0 . 3817 0 0 0 0 1 0 0 . 3927 49 . 5531 0 ] [ ̇ ̇ ] + [ 0 0 . 05746 0 − 0 . 7141 ]   ( 4 1 )     = [ 1 0 0 0 0 0 1 0 ] [ ̇ ̇ ] + [ 0 0 ]   ( 4 2 )     T h e  r esp o n s e  o f   th e  s y s tem   o u tp u t   ( )   an d    ( )   u s in g   th e  a b o v e  o p tim ized   f ee d b ac k   g ain   m atr ix   is   s h o wn   in   Fig u r e   1 0 .   Fig u r e  1 1   p r esen ts   th e  in p u t  s ig n al  o f   t h e  Seg way   s y s te m .   I t  is   clea r   f r o m   Fig u r es  1 0   a n d   1 1   th at   th e  tu n ed   co n tr o ller   u tili zin g   th e  GA  tu n in g   m eth o d   ca n   e f f ec tiv ely   p er f o r m   a   f ast  an d   s tab le  r esp o n s e  u n d e r   a n   ac c ep tab le  in p u t   e f f o r t.   B ased   o n   Fig u r e   1 0 ,   t h e  o u tp u t   s tates    ( )   an d    ( )   tr ac k ed   th e  d em a n d   in p u t  tr ajec to r ies  with o u t  o v er s h o o t,  r is e  tim e  an d   s ettlin g   tim e  o f   ap p r o x im ately   8 0   m s   an d   9 5   m s   r esp ec tiv el y   an d   ap p r o x im ate ly   ze r o   s tead y   s tate  er r o r .   Fig u r e  1 2   p r esen ts   co n v er g in g   o f   t h e  L QR   weig h tin g   m atr ices th r o u g h   iter atio n s   b ased   o n   GA  tu n in g   m eth o d .           Fig u re   9 .   B lo ck   d iag r am   o f   S e g way   co n tr o ller   GA - L QR   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         B a la n cin g   a   S e g w a y  r o b o t  u s in g   LQR  co n tr o ller   b a s ed   o n   g en etic  a n d …  ( I b r a h im  K .   Mo h a mme d )   2651         Fig u r e  1 0 .   Sy s tem   r esp o n s e  u s in g     GA - L QR   co n tr o ller     Fig u r e  1 1 .   Sy s tem   in p u t b ased     o n   GA - L QR   co n tr o ller           ( a)   ( b )           ( c)   ( d )         ( e)     Fig u r e   1 2 .   Gen er atio n   elem en t s   o f   ( )   an d   ( )   m atr ices f o r   GA - L QR   co n tr o ller ; ( a)   11   elem en t,    ( b )   22   elem en t,  ( c)   q 33   elem en t,  ( d )   44   elem en t,  an d   ( e)     elem en t       7.   B F O - L Q R  CO NT RO L L E R  DE S I G N  AND  R E SU L T S   T h e  d esig n   o f   L QR   co n tr o ller   b ased   o n   B FOA  m eth o d   is   a n alo g o u s   to   th at  o f   th e  GA - L QR   co n tr o l   s y s tem   as  p r ev io u s ly   p r ese n ted   in   Fig u r e  9 .   T h e  o p tim ized   L QR   m atr ices  ( )   an d   ( )   an d   co n tr o ller   g ain   m atr ix   u s in g   B FO  alg o r it h m   ar e   as  f o llo ws:   =  ( 11 , 22 , 33 , 44 )   wh er e   11 = 2 8 9 . 1 0 4 ,     22 = - 5 . 1 5 * 10 − 5 , 33 = - 5* 10 − 5 ,  44 q   =   - 5 . 1 * 10 − 5   = 0 . 0 0 0 2 8   a n d   =   [ - 1 0 2 2   - 2 6 0 . 2   8 8 6 . 7 2   7 7 . 7 ] .   T he   tim e  r esp o n s e  o f   th e  r o b o t  s tates   ( ) ,  ( )   u s in g   B FOA - L QR   co n tr o ller   is   s h o wn   in     Fig u r e  1 3 .   Fig u r e  1 4   s h o ws  th e  co n t r o l  ef f o r t   r eq u ir ed   to   s tab ilize  th e  Seg way   r o b o t  s y s tem .   R eg ar d in g     th e  o p tim izatio n   o f   th e  co n t r o ller ,   Fig u r e  1 5   in tr o d u ce s   co n v er g in g   elem en ts   o f   weig h tin g   m atr ices  o f     th e  L QR   co n tr o ller   th r o u g h   iter atio n s   b ased   o n   B F OA  tu n in g   alg o r ith m .   B y   co m p ar in g   th e  b eh a v io r   o f     th e  r o b o t  s y s tem   s h o wn   in   Fig u r es  1 0 ,   1 1 ,   1 3   an d   1 4 .   I t  s h o u ld   b e  n o ted   th at  th e   B FOA - L QR   co n tr o ller   ca n   ac h iev e  m o r e  s tab le  an d   f aster   r esp o n s e  th r o u g h   f o llo win g   t h e  d esire d   tr ajec to r ies  ef f ec tiv ely .   T ab l e  1   s h o ws  co m p ar is o n   r esu lts   b etwe en   t h e  GA - L QR   co n tr o ller   an d   B FOA - L Q R   co n tr o ller   b ased   o n   co n t r o l  cr iter ia   p ar am eter s .     B ased   o n   T ab le  1 ,   th e   B FOA - L QR   co n tr o ller   en ab led   t h e   walk in g   r o b o t   to   f o llo w  th e   d em an d   tr ajec to r ies ef f ec tiv ely .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.