I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   7 ,   No .   4 ,  A u g u s t   201 7 ,   p p .   2 0 0 8 ~ 2 0 1 7   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v7 i 4 . p p 2 0 0 8 - 2017          2008       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 JE C E   M o deling ,  Si m ula tion, and  O p ti m a l  Contro l  for Tw o - Wheeled   Self - Ba la ncing  R o bo t       M o des t us   O liv er   Asa li,  F er ry   H a da ry ,   B o m o   Wibo w o   Sa nja y a   De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g ,   T a n ju n g p u ra   Un iv e rsity ,   In d o n e sia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   12 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Ma y   2 0 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   J u n   2 6 ,   2 0 1 7       Tw o - w h e e led   se lf - b a lan c in g   ro b o t  is  a   p o p u lar  m o d e l  i n   c o n tr o l  sy ste m   e x p e ri m e n ts  w h ich   is  m o re   w id e l y   k n o w n   a s  in v e rted   p e n d u lu m   a n d   c a rt  m o d e l.   T h is  is  a   m u lt i - in p u t  a n d   m u lt i - o u tp u t  sy ste m   w h ich   is  th e o re ti c a l  a n d   h a s  b e e n   a p p li e d   i n   m a n y   s y st e m s  in   d a il y   u se .   A n y wa y ,   m o st  r e s e a rc h   ju st  f o c u s  o n   b a lan c in g   th is  m o d e l  th ro u g h   try - o n   e x p e ri m e n ts  o r  b y   u s in g   si m p le  f o r m   o f   m a th e m a ti c a l  m o d e l.   T h e re   w e re   stil l  f e w   r e se a r c h e s  th a t  f o c u s  o n   c o m p lete   m a th e m a ti c   m o d e li n g   a n d   d e sig n in g   a   m a th e m a ti c a l  m o d e l  b a se d   c o n tro ll e r  f o r  su c h   sy ste m .   T h is  p a p e r  a n a ly z e d   m a th e m a ti c a l  m o d e l  o f   th e   s y ste m .   T h e n ,   th e   a u t h o rs   su c c e ss f u ll y   a p p li e d   a   L in e a r  Qu a d ra ti c   Re g u lato r  (L QR)  c o n tro ll e r  f o r  th is  sy ste m .   T h is  c o n tro ll e r  w a s  tes ted   w it h   d if fe re n t   c a se   o f  s y st e m   c o n d it i o n .   Co n tr o ll in g   re su lt s  w a s   p ro v e d   to   w o rk   w e ll   a n d   tes ted   o n   d if f e re n t  c a se   o f   s y ste m   c o n d it i o n   t h ro u g h   sim u latio n   o n   m a tl a b /S im u li n k   p ro g ra m .   K ey w o r d :   I n v er ted   p en d u l u m   Ma tlab /s i m u l in k   Mo d elin g   a n d   s i m u lat io n   Op ti m al  co n tr o l   Self - b alan c in g   r o b o t   Co p y rig h t  ©   201 7   In s t it 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 :   Mo d estu s   Oli v er   A s al i,    Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   T an j u n g p u r a  U n iv er s it y ,   J alan   J en d r al  A h m ad   Ya n i,  P o n tia n ak   7 8 1 2 4 ,   I n d o n esia.   E m ail:  m o d estu s _ o liv er @ y a h o o . co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  r esear ch   o n   t w o - w h ee led   Self - b ala n ci n g   r o b o t  h a s   g ain   m o m en t u m   o v er   th e   last   d ec ad e  d u e  to   its   n o n li n ea r it y   a n d   u n s tab le  n atu r e  d y n a m ic  s y s te m .   Mo tio n   o f   t w o - w h ee led   s el f - b alan ci n g   r o b o t is  g o v er n ed   b y   u n d er - ac t u ated   co n f ig u r ati o n ,   i.e . ,   t h e  n u m b er   o f   co n tr o l  in p u t  i s   less   t h an   t h e  n u m b er   d eg r ee s   o f   f r ee d o m   to   b e  s tab ilized   w h ic h   m a k es  i t  d if f ic u lt  to   ap p l y   th e  co n v e n t io n al  r o b o tic  ap p r o ac h   f o r   co n tr o llin g   t h e  s y s te m   th er ef o r e,   t h e  t w o - w h ee led   s elf - b ala n cin g   r o b o t  is   a   g o o d   p latf o r m   f o r   r esear ch er s   to   i n v est ig ate   th e   ef f icien c y   o f   v ar io u s   co n tr o ll er s   in   co n tr o l  s y s te m .   T h e  r esear ch   o n   t w o - w h ee led   s el f - b alan cin g   r o b o t  is   o r ig in all y   b ased   o n   i n v er ted   p en d u lu m   a n d   ca r t  m o d el.   Ho w e v er ,   th e  t w o - w h ee led   s elf   b alan ci n g   r o b o t   s y s te m   is   n o   lo n g er   co n s tr ain e d   to   t h e  g u id e  r ail  b u t  m o v e s   i n   its   ter r ai n   w h ile  b alan ci n g   th e  p en d u lu m .   T h u s ,   it  n ee d s   a  g o o d   co n tr o ller   to   co n tr o l  its elf   i n   u p r i g h t  p o s iti o n   an d   d esire d   h ea d in g   a n g le   w it h o u t  t h e  n ee d s   f r o m   o u t s id e  [ 1 ] .   Var io u s   d esi g n   o f   co n tr o ller s   an d   an al y s i s   tec h n iq u e  h ad   b e en   p r o p o s ed   b y   n u m er o u s   r es ea r ch er s   to   co n tr o l  th e  t w o - w h ee led   s el f - b alan cin g   r o b o t  s u ch   t h at  th e  r o b o t  a b le  to   b a lan ce   its elf .   I n   [ 2 - 4 ]   a  f u zz y   lo g i c   b ased   co n tr o ller   w as  d esi g n ed   an d   p r o v en   s u cc es s f u l  to   co n tr o l  an   in v er ted   p en d u l u m   m o d el.   I n   [ 5 ] ,   m o tio n   co n tr o l  o f   t w o - w h ee led   s el f - b alan ci n g   r o b o t  w a s   p r o p o s ed   u s i n g   lin ea r   s tate - s p ac e  m o d e l.  I n   [ 6 ] ,   d y n a m ics   w a s   d er iv ed   u s i n g   a  Ne w to n i an   ap p r o ac h   an d   th e  co n tr o l  w a s   d esig n   b y   t h e  eq u atio n s   l in ea r i ze d   ar o u n d   a n   o p er atin g   p o in t.   I n   [ 7 - 9 ] ,   an d   [ 1 0 ]   a  li n ea r   s tab ilizin g   P r o p o r tio n al  I n teg r al   Der iv at iv e  ( P I D)   an d   L i n ea r   Qu ad r atic  R eg u lato r   ( L Q R )   co n tr o ller   w as  d er iv ed   b y   a  p lan ar   m o d el  w i th o u t  co n s id er i n g   r o b o t’ s   h ea d i n g   an g le.   T h e  ab o v e  co n tr o l  la w   w as   d esi g n ed   b y   a  p lan ar   m o d el  w i th o u t  co n s id er i n g   r o b o t’ s  h ea d i n g   a n g le  th er ef o r e  s ti ll  ca n n o t  b e  i m p l e m en ted   in to   a  r ea l  s y s te m .   I n   [ 1 1 ] ,   a  co m p ar is o n   b et w ee n   P I D  an d   L QR   h a s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Mo d elin g ,   S imu la tio n ,   a n d   Op tima l Co n tr o l fo r   Tw o - W h ee le d   S elf - B a la n cin g   ….   ( Mo d estu s   Oliver  A s a li )   2009   b ee n   p r esen ted   w h ile  t h e  h ea d in g   a n g le  o f   t h e  r o b o t  w as  also   s tu d ied   in   t h e  d y n a m ic  eq u atio n   t h at  w as   d er iv ed   u s i n g   L a g r an g ia n   m et h o d .   T h is   p ap er   co n ce r n s   t h e  t w o - w h ee led   s elf - b ala n cin g   r o b o t  s y s te m   as   t h e  r esear c h   o b j ec t,  w h ic h   u s e s   th e  Ne w to n ian   m ec h a n ic s   eq u atio n   m et h o d   to   d er iv e  th e  d y n a m ic  eq u atio n .   T h e  lin ea r   s ta te - s p ac e  m o d el  t h at   ap p r o x im a tes  t h e  n o n li n ea r   s y s te m   in   th e  r e g io n   o f   o p er atio n   t h an   o b tai n ed   b y   as s u m i n g   t h e  s y s te m   o p er ates   o n l y   ar o u n d   an   o p er atin g   p o in t  an d   th e  s ig n al s   in v o lv ed   ar e  s m al l  s ig n al.   B ased   f r o m   th e  m at h e m a tical  m o d el  o f   th e  s y s te m ,   L Q R   C o n tr o ller   is   d esig n ed   to   co n tr o l  th e  s y s te m   ti lt  an g le  an d   h ea d in g   an g le  s o   th at  t h e   s y s te m   ca n   b e  co n tr o lled   to   m o v e  to   a  d esire d   p o s itio n .   Per f o r m an ce   o f   co n tr o l  s tr ateg y   w it h   r esp ec t  to   th e  o u tp u t tilt a n g le  (   )   an d   h ea d in g   an g le  (   )   ar e  ex a m i n ed   an d   p r ese n ted   b y   u s in g   m atlab   / Si m u li n k   p r o g r a m .       2.   RE S E ARCH   M E T H O D     2 . 1 .   M a t he m a t ica l M o delin g   o f   t he  Ro bo t   T h e  r o b o t  c o n s is t s   o f   3   m aj o r   p ar ts ,   n a m e l y   th e  w h ee l s ,   p latf o r m ,   a n d   t h e  p en d u lu m   a s   th e  m as s .   T h e  r o b o t  w it h   its   t h r ee   d eg r ee s   o f   f r ee d o m   is   ab le  to   lin ea r ly   m o v e  w h ic h   is   ch ar ac ter ized   b y   p o s itio n   x ,   ab le  to   r o tate  ar o u n d   th e   z - a x is   ( y a w )   w i th   a s s o ciate d   a n g le   (   ) ,   an d   ab le  to   r o tate  ar o u n d   th e  y - a x i s   ( p itch )   w h er e  th e  m o v e m e n t i s   d escr ib ed   b y   an g le   (   )   as s h o w n   in   Fi g u r e  1 .   T h e  i n p u t s   o f   th e   s y s te m   ar e  th e   to r q u es        an d         w h ic h   b o th   ar e  ap p lied   to   th e   t w o   w h ee ls   w h ic h   lo c ated   o n   th e  le f t   s id e  a n d   r ig h t  s id e  o f   th e  r o b o t.  L i s t  o f   p ar am eter s   f o r   th e   t w o - w h ee le d   s elf - b ala n cin g   r o b o t a r e  s h o w n   i n   T ab le  1 .   T h ese  p ar a m et er s   ar e  b ased   o n   th e   p r o j ec t  co n d u cted   b y   L i  as  s t ated   b y   [ 1 2 ] .   T h e  o b j ec tiv es  o f   t h e  co n tr o l  s ch e m es   ar e  to   c o n tr o l  th e  s y s te m ’ s   m o d el  s h o w n   in   Fi g u r e  1   to   m o v e  to   a  d esire d   p o s itio n   w h ile  k ee p i n g   t h e  r o b o t’ s   tilt   a n g le  i n   t h e  u p r ig h t   p o s itio n .   T h e  co n tr o ller   m u s t b e  ab le  to   s tab ilize  th e  s y s te m   w it h   ac ce p tab le  o v er s h o o t a n d   s ettli n g   ti m e.           Fig u r e  1 .   A   m o d el  o f   t w o - w h e eled   s elf - b alan ci n g   r o b o t       T ab le  1 .   L is t o f   p ar a m eter s   o f   t w o - w h ee led   s el f - b ala n ci n g   r o b o t   S y mb o l   P a r a me t e r     U n i t   F l   ,   F r   I n t e r a c t i n g   f o r c e s b e t w e e n   t h e   l e f t   a n d   r i g h t   w h e e l s a n d   t h e   p l a t f o r m   N   H l   , H r   F r i c t i o n   f o r c e s a c t i n g   o n   t h e   l e f t   a n d   r i g h t   w h e e l s   N                 T o r q u e s p r o v i d e d   b y   w h e e l   a c t u a t o r s  a c t i n g   o n   t h e   l e f t   a n d   r i g h t   w h e e l s   N/m                 R o t a t i o n a l   a n g l e s o f   t h e   l e f t   a n d   t h e   r i g h t   w h e e l s   ra d   x l ,   x r   D i sp l a c e me n t s   o f   t h e   l e f t   a n d   r i g h t   w h e e l s a l o n g   t h e   x - a x i s   m       T i l t   a n g l e   o f   t h e   r o b o t   ra d       H e a d i n g   a n g l e   o f   t h e   r o b o t   w i t h   r e sp e c t   t o   t h e   z - a x i s   ra d   M W   M a ss   o f   t h e   e a c h   w h e e l   Kg   I W   M o me n t   o f   i n e r t i a   o f   t h e   w h e e l   a b o u t   t h e   y - a x i s   Kg . m 2   r   R a d i u s o f   t h e   w h e e l   m   m   M a s s   o f   t h e   p e n d u l u m   Kg   g   G r a v i t y   a c c e l e r a t i o n   m / s 2       D i st a n c e   f r o m t h e   p l a t f o r m t o   t h e   c e n t e r   o f   mass  o f   t h e   p e n d u l u m   a l o n g   t h e   z - a x i s   m   d   D i st a n c e   b e t w e e n   t h e   l e f t   a n d   r i g h t   w h e e l s a l o n g   t h e   y - a x i s   m   M   M a ss   o f   t h e   p l a t f o r m   Kg   I M   M o me n t   o f   i n e r t i a   o f   t h e   p l a t f o r m a b o u t   t h e   y - a x i s   Kg . m 2   I P   M o me n t   o f   i n e r t i a   o f   t h e   p l a t f o r m a n d   p e n d u l u m a b o u t   t h e   z - a x i s   Kg . m 2   F P   I n t e r a c t i n g   f o r c e s b e t w e e n   t h e   p e n d u l u m  a n d   t h e   p l a t f o r m o n   t h e   x - a x i s   N   M P   I n t e r a c t i n g   mo me n t   b e t w e e n   t h e   p e n d u l u m  a n d   t h e   p l a t f o r m a b o u t   t h e   y - a x i s   N/m   V   T h e   f o r w a r d   v e l o c i t y   o f   t h e   r o b o t   m / s       T h e   r o t a t i o n   v e l o c i t y   o f   t h e   r o b o t   ra d   /   s     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 ,  A u g u s t   2017   :    2 0 0 8   –   2 0 1 7   2010   W ith   as s u m p tio n   t h at  t h er e  is   n o   s lip   b et w ee n   t h e  w h ee ls   an d   th e  g r o u n d ,   b y   ap p l y i n g   Ne w to n ’ s   la w  f o r   th e   li n ea r   a n d   r o tatio n al  m o tio n   b ased   [ 1 3 ]   an d   [ 1 4 ] ,   b alan cin g   f o r ce s   a n d   m o m e n t   ac tin g   o n   t h e  lef t   w h ee l r es u lts   i n   t h e  f o llo w i n g   eq u atio n s   o f   m o tio n :     ∑               ̈     (           )           ( 1 )     ∑               ̈                     ( 2 )     Si m i liar l y ,   f o r   th e  r ig h t  w h ee l  w e  h av e:     ∑               ̈     (           )           ( 3 )     ∑               ̈                     ( 4 )       B alan cin g   f o r ce s   ac ti n g   o n   th e  p en d u lu m   o n   t h e  x - ax i s   d ir ec tio n   an d   m o m e n ts   b etw ee n   t h e   p en d u lu m   a n d   th e  p lat f o r m   ab o u t th e  y - ax is   r es u lts   i n :                              ̈           ̈             ̇                  ( 5 )           ̈                           ( 6 )                       ̈                        ̈                              ( 7 )               ̈                   ( 8 )     B alan cin g   t h e  m o m en t s   ac ti n g   o n   th e  p latf o r m   a n d   p en d u l u m   ab o u t th e  z - a x i s   g i v es :             ̈       (           )         ( 9 )     T h e  r elatio n s h ip   b et w ee n   th e  d is p lace m e n ts   o f   t h e  w h ee l  al o n g   th e  x - a x is   an d   t h e  r o tatio n al  an g le  o f   th e  w h ee l a b o u t th e  y - a x is   i s :                                       ( 1 0 )     On   t h e  o th er   h a n d ,   th e  r elat i o n s h ip   b et w ee n   t h e  h ea d i n g   an g le  (   )   o f   t h e  r o b o t  ab o u t  th e  z - ax is   a n d   th e   d is p lace m e n t o f   t h e  w h ee l a lo n g   t h e  x - ax i s   is :                             ( 1 1 )     B y   s u b tr ac ti n g   ( 1 )   an d   ( 2 )   f r o m   ( 3 )   an d   ( 4 )   r esp ec tiv ely   t h e n   s u b s tit u ti n g   i t to   ( 1 1 )   r esu lt in :           (   ̈       ̈   )                 (           )             ( 12 )           (   ̈       ̈   )                 (           )       ( 13 )     (               )           ̈       (             )       (           )         ( 1 4 )       ̈           (       (               )         )   (           )         ( 1 5 )     B y   ad d in g   ( 1 )   an d   ( 2 )   w it h   ( 3 )   an d   ( 4 )   r esp ec tiv el y   th e n   s u b s titu ti n g   it to   ( 1 0 ) ,   w e  h av e:                   ̈                 (           )           ( 16 )                 ̈                 (           )       ( 17 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Mo d elin g ,   S imu la tio n ,   a n d   Op tima l Co n tr o l fo r   Tw o - W h ee le d   S elf - B a la n cin g   ….   ( Mo d estu s   Oliver  A s a li )   2011   A d d in g   ( 1 6 )   an d   ( 1 7 )   w e  h a v e :     (               )         ̈                 (           )       ( 18 )     B y   s u b s t itu tin g   ( 1 8 )   to   ( 5 )   an d   ( 6 )   w e  o b tain :                          ̈   (             (               ) )     ̈               ̇                            ( 1 9 )     B y   s u b s t itu tin g   ( 7 )   to   ( 8 )   r esu l t in :     (               )     ̈                      ̈                            ( 20 )     Fro m   t h e  ab o v e   d er iv atio n ,   we  ca n   o b tain   th e   d y n a m ics   eq u atio n   o f   m o tio n   o f   th e   t w o - w h ee led   s el f - b alan cin g   r o b o t  as  ( 1 5 ) ,   ( 1 9 ) ,   an d   ( 2 0 ) .   A s s u m i n g   t h at  t h e   r o b o t  o n ly   ar o u n d   a  s m all  o p er atin g   p o in t,  th e   d y n a m ic  m o d el  o f   th e   r o b o t  is   t h en   lin ea r ized   ar o u n d   t h e  p o in t    ̇                                     .   E q u atio n   ( 1 9 ) ,   an d   ( 2 0 )   th en   b ec a m e:                 ̈   (             (               ) )     ̈                 ( 21 )   (               )     ̈             ̈                     ( 22 )     B y   d e f in i n g   th e  f o llo w i n g   5 - d im en s io n a l v ec to r   o f   s tate  v ar ia b le:           [                             ]           [             ̇       ̇ ]           ( 2 3 )     Usi n g   ( 1 5 ) ,   ( 2 1 ) ,   an d   ( 2 2 )   th e   lin ea r ized   t w o - w h ee led   s el f - b alan cin g   r o b o t  m o d el   ca n   b e  ex p r ess e d   in   th e  f o llo w i n g   s tate - s p ac e  f o r m :     [           ̇   ̈   ̇   ̇   ̈ ]           [                                                                 ]           [             ̇       ̇ ]           [                                               ]           *         +     ( 2 4 )     w h er e:                          (             (               ) )               ( (             (               ) )   (               ) )   ( 25)                                            ( (             (               ) )   (               ) )   ( 2 6 )                          (               ( (             (               ) )   (               ) ) )          ( 2 7 )                          (               ( (             (               ) )   (               ) ) )          ( 2 8 )                                (               ( (             (               ) )   (               ) ) )   ( 2 9 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 ,  A u g u s t   2017   :    2 0 0 8   –   2 0 1 7   2012                              (               ( (             (               ) )   (               ) ) )   ( 3 0 )                    (             (               ) )   ( 31)                      (             (               ) )   ( 32)     Fro m   th e  s tate - s p ac e  m o d el  d escr ib ed   ab o v e,   th er e  ar e  a   n u m b er   o f   d y n a m ic  p ar a m e ter s   in   t h e   s y s te m   w h ich   w i ll  r es u lt  i n   v a r iatio n   o f   t h e  s tate  m atr ice s .   I n   o r d er   to   s i m p lify   t h e  p r o b lem   an d   g i v e  a  clea r   p h y s ical  m ea n i n g   to   th e  s tate  m a tr i x   an d   in p u t  m atr i x   to   d esig n   a  co n tr o ller ,   th e  v al u e  o f   p ar am eter s   o f   t h e  s y s te m   w as s h o w n   i n   T ab le  2 .       T ab le  2 .  Sp ec if icatio n s   o f   t h e  t w o - w h ee led   s elf - b ala n cin g   r o b o t   S y mb o l   V a l u e   U n i t   M W   1   Kg   I W   0 . 0 3 1 3   Kg . m 2   r   0 . 2 5   m   m   70   Kg   g   9 . 8   m / s 2       1   m   d   0 . 5   m   M   5   Kg   I M   0 . 0 3 8 5   Kg . m 2   I P   1 . 8 5 6 9   Kg . m 2       B ased   o n   th e  v al u e  in   T ab le  2 ,   it is   ea s y   to   h av e  a  li n ea r   s tate - s p ac e  eq u atio n   as:       [           ̇   ̈   ̇   ̇   ̈ ]           [                                                                             ]           [             ̇       ̇ ]           [                                                                             ]           *         +   ( 3 3 )     2 . 2 .   L Q R  Co ntr o ller  Desig n a nd   Si m ula t io n   L Q R   i s   a  m et h o d   in   m o d er n   c o n tr o l  th eo r y   th at   u s es  s tate - s p ac e  ap p r o ac h   to   an al y ze   s u c h   a  s y s te m .   Usi n g   s tate - s p ac e  m et h o d s ,   it  is   r elati v el y   s i m p le  to   w o r k   with   a  m u lti - i n p u t  m u lti - o u tp u t  s y s te m .   As s u m i n g   all  s tate  v ar iab les  ar e  av a ilab l e  f o r   f ee d b ac k ,   t h e  s y s te m   d es cr ib ed   in   p r ev io u s   s ec tio n   ca n   b e  s tab ilized   u s i n g   f u ll  s tate  f ee d b ac k   [ 1 5 ] .   T h e  s ch e m a tic  o f   t h is   t y p e   o f   co n tr o l  s y s te m   f o r   a  t w o - w h ee led   s elf   b ala n ci n g   r o b o t  is   s h o w n   i n   Fi g u r e  2 .   R ef er r i n g   to   [ 1 6 ]   Fo r   th e  L i n ea r   T i m e  I n v ar ia n t  ( L T I )   s y s te m ,   th e   L QR   co n tr o l  t h eo r y   i n v o l v e s   ch o o s in g   a  co n tr o l la w :       (   )          (   )   ( 3 4 )     w h ic h   s tab ilize s   th e  o r ig in   w h i le  m i n i m izi n g   t h e  q u ad r atic  co s t f u n ctio n   w h ic h   ca n   b e  p r esen ted :           ∫ (   (   )      (   )     (   )      (   ) )          ( 3 5 )     w h er e      is   a  s y m m etr ic  p o s itiv e  d ef in ite  o r   p o s itiv e  s e m i - d ef in ite  m a tr ix ,   R   is   a  s y m m etr ic   p o s itiv e  d ef in ite   m atr i x   an d       is   u n co n s tr ai n ed .   T h e  f in al  co n tr o l la w   ca n   b e  d er iv ed   as:                           (   )          (   )   ( 3 6 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Mo d elin g ,   S imu la tio n ,   a n d   Op tima l Co n tr o l fo r   Tw o - W h ee le d   S elf - B a la n cin g   ….   ( Mo d estu s   Oliver  A s a li )   2013       Fig u r e  2 .  T h e  L QR   co n tr o l sc h e m e  f o r   t w o - wh ee led   s el f - b alan cin g   r o b o t       w h er e  a  s y m m etr ic  p o s iti v e  d ef i n ite  m atr ix       is   a  s o lu tio n   to   th e  f o llo w i n g   eq u atio n :                                                   ( 3 7 )     I n   d esig n in g   L QR   co n tr o ller ,   L Q R   f u n ct io n   in   m atlab   m - f il e   ca n   b e  u s ed   to   d eter m i n e  th e  v alu e  o f   th e  v ec to r   K  w h ic h   d eter m i n es  th e  f ee d b ac k   co n tr o l  la w .   T h is   is   d o n e  b y   ch o o s i n g   t wo   p ar am eter   v alu e s ,   m atr i x       an d     .   T h e  o b j ec tiv e  o f   co n tr o llin g   th e  t w o - w h ee le d   s elf - b ala n ci n g   r o b o t  s y s te m   is   to   m in i m ize  r o b o t’ s   p itch   an g le  (   )   w h i le  co n tr o l  th e  h ea d in g   an g le  (   )   to w ar d   th e  r ef er en ce   a n g le,   s o   d esig n ate        an d         as  t w o   m ai n   co n tr o l  v ar iab les   an d          an d          is   g i v e n   lar g er   w ei g h ts .   Af ter   t u n i n g   th e  v al u e  o f   m atr i x       an d   m atr ix       u s in g   th e  tr ial  an d   er r o r   m et h o d ,   w e  f o u n d   th e  f o llo w i n g   s tate  w ei g h ti n g   m atr i x   an d   in p u t   w ei g h ti n g   m atr i x   to   b e  ap p r o p r iate:         [                                                             ]               *         +   ( 3 8 )     Usi n g   ( 3 8 )   an d   ( 3 7 ) ,   th e  co n tr o l g ain s   in   ( 3 6 )   ar e  f o u n d   to   b e:            [                                                                                                                     ]           ( 3 9 )       3.   RE SU L T S  A ND  AN AL Y SI S     I n   t h is   s ec tio n ,   t h e  s i m u lat io n   r esu lt s   o f   t h e  p r o p o s ed   co n tr o ller ,   w h ic h   i s   p er f o r m ed   o n   t h e   m o d el  o f   a  t w o - w h ee led   s el f - b alan ci n g   r o b o t  ar e   p r esen ted .   I n   o r d er   to   d esig n   an d   s ti m u late  t h e  L Q R   C o n tr o ller   f o r   s y s te m ,   m atlab /s i m u li n k   s i m u latio n   to o l  is   u s ed .   P er f o r m an ce   c h ar ac ter is tic s   o f   th e   co n tr o ller   ar e  also   d is cu s s ed   in   d etails i n   t h is   s ec t io n .   Tw o   w h ee led   s el f   b alan ci n g   r o b o t  s y s te m   w i th   L Q R   co n tr o ller   m e th o d   p r o d u ce d   t w o   o u tp u t   r esp o n s es,  r o b o t’ s   p itch   a n g le   (   )   an d   th e  h ea d i n g   an g le   (   ) .   I n   th i s   r esear ch ,   th e  in i tial  v a lu e  o f   p itch   an g le   (   )   o f   th e   b alan ci n g   r o b o t  w as  s e t  to   –   1  r a d   to   s i m u late  t h e   p e r f o r m an ce   o f   t h e  co n tr o ller .   I t   m ea n s   t h at  t h e  in itial  co n d itio n   o f   t h e  r o b o t  is   v er y   u n s tab le.   On   t h e  o th er   h an d ,   th e  in itial  s ta te  o f   th e  h ea d in g   a n g le   (   )   w a s   s et  to   0   r a d   an d   g iv e n   a  u n it st ep   as th e  r ef er en ce   s ig n al.     Fig u r e  3   s h o w s   t h e  r e s p o n s e  o f   t w o - w h ee led   s el f - b alan cin g   r o b o t  p itch   an g le  (   )   in   n o r m al   co n d itio n   w h ile  Fi g u r e  4   s h o w s   t h e  r esp o n s e s   o f   t w o - w h e eled   s elf - b ala n cin g   r o b o t  h ea d in g   a n g le  (   )   i n   n o r m al  co n d itio n .   I n   t h e  Fi g u r e,   th e  r esp o n s e  f o r   th e  p itc h   a n g le  (   )   an d   h ea d i n g   an g le  (   )   is   r ep r esen ted   b y   s tr aig h t li n e  o r   r ed   co lo r   lin e  an d   th e  r ef er e n ce   f o r   th e  s y s te m   r esp o n s e  i s   r ep r esen ted   b y   d o tted   lin e  o r   b lu e    E r r o r r x1 x2 x3 x5 x4 l e f t   t o r q u e r i g h t   t o r q u e x'   =   A x+ B u   y  =   C x+ D u T w o - w h e e l e d   s e l f   b a l a n ci n g   r o b o t Err or U1 U2 K4 x1 x2 x3 x5 U1 U2 K x1 x2 x3 x4 x5 y f cn C 1 x4   r e f e r e n ce Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 ,  A u g u s t   2017   :    2 0 0 8   –   2 0 1 7   2014     co lo r   lin e.   Fro m   th e  f i g u r e,   it  ca n   b e  s ee n   th at  th e  L QR   co n tr o ller   ar e   ca p ab le   to   c o n tr o l  t h e  p itch   an g le  an d   h ea d in g   an g le  o f   t h e  r o b o t  to   t h e  d esire d   v alu e.   T h e  s ettli n g   ti m e  f o r   th e  p itch   a n g le  to   r ea ch   b alan ce   s tate  i n   2 . 2 3   s ec   w h ile  t h e  s tead y - s ta te  er r o r   is   0 . 0 0 8 6   r a d .   Me an w h ile,   t h e  s ettli n g   ti m e  f o r   th e  h ea d i n g   an g le  to   r ea ch   t h e  s tead y - s ta te  v al u e  i s   2 . 7 6   s ec   w h ile   t h e  s tead y - s ta te   er r o r   is   0   r a d .   T h e  co n tr o l e f f o r t o f   t h e  s y s te m ’ s   r esp o n s e  i s   a s   s h o w n   i n   Fi g u r e  5 .   T h e  to r q u es  ap p lied   to   th e   lef t  a n d   t h e  r i g h t  w h ee l  s h o w   a  s li g h t  d i f f er en ce .   T h is   is   d u e  to   th e  d esire d   v alu e  o f   th e  s y s te m ’ s   h ea d i n g   an g le  =  1   r a d   an d   th e  s y s te m   tr y   to   f o llo w   th e   r ef er en ce   s i g n al.               Fig u r e  3 .  T w o - w h ee led   s el f - b alan ci n g   r o b o t p itch   an g le  r esp o n s e  i n   n o r m al  co n d itio n     Fig u r e  4 .  T w o - w h ee led   s el f - b alan ci n g   r o b o t  h ea d in g   an g le  r esp o n s e  in   n o r m al  co n d itio n       Fig u r e  6   s h o w s   t h e  r esp o n s e  o f   t w o - w h ee led   s el f - b ala n cin g   r o b o t  p itch   an g le  (   )   w it h   t h e  p en d u lu m ’ s   m a s s   b ein g   d ec r ea s ed   to   4 0   Kg .   Fro m   t h e  f i g u r e  it  ca n   b e  s ee n   t h at  t h e  L Q R   co n tr o ller   ar e  ca p ab le  to   co n tr o l  an d   b alan c e  th e  p itc h   a n g le  d esp ite  t h e  ch an g e  i n   t h e  p e n d u l u m ’ s   m a s s .   I t  s h o w   t h at  th e   r esu lt  h as  g o t  s i m ilar   p atter n   a n d   n o t  m u c h   d if f er en t  f r o m   t h e  n o r m al  co n d itio n   s y s te m .   A l m o s t  n o   s ig n i f ica n t   d if f er e n ce s   w er e   ap p ar en t  f r o m   co n tr o l ler ’ s   p er f o r m an ce   in   n o r m al  co n d itio n   w it h   d ec r ea s ed   m a s s   co n d it io n   as sh o w n   b y   Fi g u r es 3   an d   Fi g u r e  6 .               Fig u r e  5 .  C o n tr o l e f f o r t o f   t w o - w h ee led   s el f - b alan cin g   r o b o t in   n o r m al  co n d itio n     Fig u r e  6 .  T w o - w h ee led   s el f - b alan ci n g   r o b o t p itch   an g le  r esp o n s e  w it h   d ec r ea s ed   m as s   o f   th e  p en d u lu m   =  4 0   Kg       Me an w h ile,   Fi g u r e  7 .   s h o w s   t h e  r esp o n s e  o f   t w o - w h ee led   s elf - b alan ci n g   r o b o t  p itch   an g l e  (   )   w it h   th e  p en d u l u m ’ s   m ass   b ei n g   i n cr ea s ed   to   1 1 0   Kg .   Fro m   th e  f i g u r e  it  ca n   b e  s ee n     th at  th e   s y s te m ’ s   r esp o n s e   b ec am e   a  litt le  b it  q u ic k er   wh ile  c h an g e s   in   th e   s tead y - s t ate  er r o r   is   r elativ el y   s m all   a n d   ca n   b e  i g n o r ed .   W h en   t h e  p en d u lu m ’ s   m as s   w er e  b ein g   i n cr ea s ed ,   th er e  i s   a  s i g n i f ica n ce   i n cr ea s e  i n   s y s te m ’ s   m a x i m u m   0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -1 - 0 . 8 - 0 . 6 - 0 . 4 - 0 . 2 0 0 . 2 0 . 4   t i m e   ( s e c ) p i t c h   a n g l e   ( r a d ) T w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t   p i t c h   a n g l e   r e s p o n s e     p i t c h   a n g l e   r e s p o n s e r e f e r e n c e 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 T w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t   h e a d i n g   a n g l e   r e s p o n s e H e a d i n g   a g l e ( r a d )   t i m e   ( s e c ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -1 - 0 . 8 - 0 . 6 - 0 . 4 - 0 . 2 0 0 . 2 0 . 4   t i m e   ( s e c ) p i t c h   a n g l e   ( r a d ) T w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t   p i t c h   a n g l e   r e s p o n s e     p i t c h       a n g l e   r e s p o n s e r e f e r e n c e 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5   t i m e   ( s e c ) H e a d i n g     a n g l e ( r a d ) T w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t   h e a d i n g   a n g l e   r e s p o n s e     h e a d i n g   a n g l e   r e s p o n s e r e f e r e n c e 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - 1 6 0 - 1 4 0 - 1 2 0 - 1 0 0 - 8 0 - 6 0 - 4 0 - 2 0 0 20   t i m e   ( s e c ) T o r q u e   ( N / m ) C o n t r o l   e f f o r t   o f   t w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t     L e f t   T o r q u e   ( u 1 ) R i g h t   T o r q u e   ( u 2 ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -1 - 0 . 8 - 0 . 6 - 0 . 4 - 0 . 2 0 0 . 2 0 . 4   t i m e   ( s e c ) p   i   t   c   h     a   n   g   l   e     (   r   a   d   ) T w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t   p i t c h   a n g l e   r e s p o n s e     p i t c h       a n g l e   r e s p o n s e r e f e r e n c e 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5   t i m e   ( s e c ) H   e   a   d   i   n   g     a   n   g   l   e     (   r   a   d ) T w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t   h e a d i n g   a n g l e   r e s p o n s e     h e a d i n g   a n g l e   r e s p o n s e r e f e r e n c e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Mo d elin g ,   S imu la tio n ,   a n d   Op tima l Co n tr o l fo r   Tw o - W h ee le d   S elf - B a la n cin g   ….   ( Mo d estu s   Oliver  A s a li )   2015   o v er s h o o t  a n d   s tead y - s tate  er r o r   b u t  o v er all,   t h e  p er f o r m an c e  o f   t h e  co n tr o ller   w as  s till   ac ce p tab le  b ec au s e  it   ca n   s t ill  m ai n tai n   it ’ s   u p r ig h t  p o s itio n .   T h e  p er f o r m an ce   o f   t h e  co n tr o ller   i n   F ig u r e   7   g i v es   th e  co n c lu s io n   t h a t   th e  p er f o r m a n ce   o f   L Q R   co n tr o ller s   i s   li m ited   to   a  ce r t ain   r an g e  o f   p en d u l u m ’ s   m a s s   f r o m   t h e   n o r m al   co n d itio n s .   I f   t h e  p en d u l u m   m as s   is   in cr ea s ed   to   a  ce r tai n   p o in t,  it  is   p o s s ib le   th a t  th e  c o n tr o ller   w i ll  f ail  to   co n tr o l  th e  s y s te m   s o   th at  th e   r o b o t  w ill  f all.   T h er ef o r e,   w h en   d esig n i n g   L Q R   co n tr o ller s   it  s h o u ld   also   tak e   in to   ac co u n t th e  r a n g e  o f   p e n d u lu m ’ s   m a s s   i n   w h ich   t h e  s y s t e m   w ill  o p er ate  m o s t .   T h e  d is tu r b an ce   r ej ec tio n   p er f o r m an ce   o f   th e  co n tr o ller   is   s h o w n   in   Fig u r e  8 .   An   i m p u l s e   d is tu r b an ce   is   ap p lied   at  ar o u n d   5   s ec   to   t h e   r o b o t  w h ile   it  is   s tab ilizi n g .   I t  ca n   b e  o b s er v ed   th at   th e   r o b o t  i s   ab le  to   r e j ec t  th is   d is t u r b an ce   an d   r eg ai n s   it s   b alan ce   p o s it io n   in   a  s h o r t  a m o u n t  o f   t i m e .   A   g r ea ter   co n tr o l   ef f o r t is  u s ed   b y   t h e  r o b o t to   o v er co m e  t h e  d is tu r b a n ce   f o r ce   as sh o w n   in   Fig u r e  9 .             Fig u r e  7 .  T w o - w h ee led   s el f - b alan ci n g   r o b o t p itch   an g le  r esp o n s e  w it h   i n cr ea s ed   m as s   o f   t h e  p en d u lu m   =  1 1 0   Kg     Fig u r e  8 .  T w o - w h ee led   s el f - b alan ci n g   r o b o t p itch   an g le  r esp o n s e  w it h   d is t u r b an ce   ap p lied   to   th e  b o d y   p itch   a n g le         Fig u r e  9 .  C o n tr o l e f f o r t o f   t w o - w h ee led   s el f - b ala n ci n g   r o b o t d u r in g   d is t u r b an ce   r ej ec tio n       T ab le  3   s h o w s   t h e  s u m m ar y   o f   th e  p er f o r m an ce   c h ar ac ter i s tics   o f   th e  t w o - w h ee led   s el f - b alan cin g   r o b o t  in   v ar io u s   co n d it io n s .   B ased   o n   t h e  d ata  tab u lated   i n   T ab le  3 ,   it  ca n   b e  s ee n   t h at  t h e  r esp o n s es   o f   th e   s elf - b ala n cin g   r o b o t p itch   an g l e  an d   h ea d in g   an g le  h av e  ac ce p tab le  o v er s h o o t a n d   u n d er s h o o t.    Fro m   t h is   r esear c h   it  ca n   b e   s ee n   t h at  L Q R   co n tr o ller s   c an   b e  i m p le m e n ted   to   co n tr o l  th e  t w o - w h ee led   s el f - b alan c in g   r o b o t  s y s te m   an d   p r o v id e  q u ite  g o o d   r esu lts .   I n   t h i s   r esear ch ,   w e  a ls o   tes ted   th e   co n tr o ller   o n   v ar io u s   s tate  o f   t h e  s y s te m   w h ic h   h a s   n o t  b ee n   s h o w n   s o   clea r l y   i n   p r ev io u s   r esear ch .   Fro m   th e  s i m u lat io n ,   it  ca n   b e  s ee n   t h at  alth o u g h   th e  co n tr o ller   is   ca p ab le  o f   co n tr o llin g   t h e  s y s te m   d esp ite  b ei n g   s u b j ec ted   to   a  ch an g e  i n   m as s   o r   d is tu r b an ce   to   t h e  b o d y   p itc h   an g le ,   t h er e  i s   a  t o ler ab le  li m it  o f   m as s   ch a n g e  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -1 - 0 . 8 - 0 . 6 - 0 . 4 - 0 . 2 0 0 . 2 0 . 4   t i m e   ( s e c ) p   i   t   c   h     a   n   g   l   e     (   r   a   d   ) T w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t   p i t c h   a n g l e   r e s p o n s e     p i t c h       a n g l e   r e s p o n s e r e f e r e n c e 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5   t i m e   ( s e c ) H   e   a   d   i   n   g     a   n   g   l   e     (   r   a   d ) T w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t   h e a d i n g   a n g l e   r e s p o n s e     h e a d i n g   a n g l e   r e s p o n s e r e f e r e n c e 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -3 -2 -1 0 1 2 3   t i m e   ( s e c ) p   i   t   c   h     a   n   g   l   e     (   r   a   d   ) T w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t   p i t c h   a n g l e   r e s p o n s e     p i t c h       a n g l e   r e s p o n s e r e f e r e n c e 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5   t i m e   ( s e c ) H   e   a   d   i   n   g     a   n   g   l   e     (   r   a   d ) T w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t   h e a d i n g   a n g l e   r e s p o n s e     h e a d i n g   a n g l e   r e s p o n s e r e f e r e n c e 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - 1 6 0 - 1 4 0 - 1 2 0 - 1 0 0 - 8 0 - 6 0 - 4 0 - 2 0 0 20 40   t i m e   ( s e c ) T   o   r   q   u   e     (   N   /   m   ) C o n t r o l   e f f o r t   o f   t w o - w h e e l e d   s e l f - b a l a n c i n g   r o b o t     L e f t   T o r q u e   ( u 1 ) R i g h t   T o r q u e   ( u 2 ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 ,  A u g u s t   2017   :    2 0 0 8   –   2 0 1 7   2016   o r   p itch   an g le  ch an g e .   T h er ef o r e,   w h en   d esi g n in g   th e  co n tr o ller ,   th e  v alu es  o f   t h e  s y s te m   p ar am eter s   s h o u ld   b e  co n s id er ed   so th at  th e  co n tr o ller   ca n   w o r k   w el l u n d er   id ea l o r   n o n   id ea l c o n d itio n s .       T ab le  3 .  Sp ec if icatio n s   o f   t h e  t w o - w h ee led   s elf - b ala n cin g   r o b o t   S y st e m ’ s c o n d i t i o n   P i t c h   a n g l e   (   )   H e a d i n g   a n g l e   (   )          ( s)          ( ra d )          ( s)          (r ad )   N o r mal   c o n d i t i o n   2 . 2 3   0 . 0 0 8 6   2 . 7 6   0   I n c r e a se d   p e n d u l u m’ s  mass   7 . 0 4   0 . 0 1 4 4   -   -   D e c r e a se d   p e n d u l u m’ s  mass   0 . 5 2   0 . 0 0 5 7   -   -       4.   CO NCLU SI O N     I n   th i s   p ap er ,   th e  d esig n   an d   i m p le m en ta tio n   o f   L Q R   co n tr o ller   f o r   s tab ilizin g   a  t w o - w h ee led   s elf - b alan cin g   r o b o t  is   p r esen ted .   T h e  p er f o r m a n ce   o f   L Q R   i s   s i m u lated   an d   an a l y ze d   w i th   m atlab /s i m u li n k   p r o g r am .   B ased   o n   th e  r es u lt s   an d   th e  a n al y s i s ,   a  co n clu s io n   h as  b ee n   m ad e  th a t  th e  L Q R   co n tr o ller   ar e  ca p ab le  o f   co n tr o llin g   th e  t w o - w h ee led   s elf - b alan ci n g   r o b o t’ s   p itch   an g le  an d   h ea d in g   a n g le  a n d   y ield s   ac ce p tab le  an d   g o o d   r esu lts   with o u t   f al lin g .   I n   n o r m a l  co n d itio n   t h e  s y s te m   ca n   b e  en g a g ed   to   b alan ce   its el f   an d   g i v e  tr a n s ie n t  r esp o n s e  ch ar ac ter is tics   s e ttli n g   ti m e  =  2 . 2 3   s ec   an d   s tead y - s tate  er r o r   =  0 . 0 0 8 6   r a d   f o r   tilt   an g le  r esp o n s e  an d   s ettli n g   ti m e  =  2 . 7 6   s ec   an d   s tead y - s tat e  er r o r   =  0   r a d   f o r   h ea d in g   a n g le  r esp o n s e.   W h e n   th e  p en d u l u m ’ s   m ass   is   b ei n g   in cr ea s ed   b y   3 0   Kg ,   t h e  s y s t e m   g iv e   tr an s ien t  r esp o n s e   ch ar ac ter is tics   s ettli n g   ti m e  =  7 . 0 4   s ec   a n d   s tead y - s t ate  er r o r   =  0 . 0 1 4 4   r a d   f o r   tilt   an g le  an d   w h e n   t h e  p en d u lu m ’ s   m as s   i s   b ein g   d ec r ea s ed   b y   3 0   Kg   t h e  s y s te m   g iv e  tr a n s ie n t  r esp o n s e  ch a r ac ter is tics   s et tli n g   t i m e  =  0 . 5 2   s ec   an d   s tead y - s tate  er r o r   =  0 . 0 0 5 7   r a d   f o r   tilt   a n g le.   Ho w ev er ,   m o r e  e x p er im e n t   n ee d s   to   b e  p er f o r m ed   to   e v al u ate  t h e  r o b u s tn es s   o f   th e  s y s te m .   No n li n ea r   co n tr o ller   is   f u ll y   r ec o m m e n d ed   f o r   b alan ci n g   th e   t w o - w h ee led   s el f - b alan cin g   r o b o t a s   it  w il l u p g r ad e  th e  r o b u s tn e s s   o f   t h e  s y s te m .       RE F E R E NC E S     [ 1 ]   A . N.K.  N a sir,   M . A .   A h m a d ,   R. M . T .   Ra ja  Is m a il ,   “ T h e   Co n tro l   o f   a   Hig h l y   No n li n e a r  Tw o - wh e e ls  Ba lan c in g   Ro b o t:   A   Co m p a ra ti v e   A ss e ss m e n t  b e tw e e n   L Q R  a n d   P ID - P ID   Co n tr o l  S c h e m e s ” ,   in   In ter n a ti o n a l  J o u r n a l  o f   M e c h a n ica l,   Aer o sp a c e ,   In d u stri a l,   M e c h a tro n ic,  a n d   M a n u fa c t u rin g   En g i n e e rin g ,   v o l.   4 ,   n o .   1 0 ,   p p .   9 4 2 - 9 4 7 ,   Oc to b e r  2 0 1 0 .   [2 ]   H.  L iu ,   J.  Xu ,   Y.  S u n ,   “ A d a p t iv e   F u z z y   S li d in g   M o d e   S tab il i z a ti o n   Co n tro ll e r  f o r  In v e rted   P e n d u l u m s ” ,   in   T e lec o mm u n ica ti o n ,   C o mp u t in g ,   El e c tro n ics ,   a n d   C o n tr o l  ( T EL KOM NIKA) ,   v o l.   1 1 ,   n o .   1 2 ,   p p .   7 2 4 3 - 7 2 5 0 ,  De c e m b e r  2 0 1 3 .   [3 ]   T . Y.  Ch u a n ,   L .   F e n g ,   Q.   Qia n ,   Y.  Ya n g ,  “ S tab il izin g   P la n a r  In v e rted   P e n d u l u m   S y ste m s  Ba s e d   o n   F u z z y   Nin e - P o in t  Co n tr o ll e r ”,   in   T e lec o mm u n ica ti o n ,   Co mp u ti n g ,   E lec tro n ics ,   a n d   C o n tr o l  ( T EL KOM NIKA) ,   v o l.   1 2 ,   n o .   1 ,   p p .   422 - 4 3 2 ,  Ja n u a ry   2 0 1 4 .   [4 ]   T . O.S   Ha n a fy ,   M . K.  M e tw a ll y ,  “ S im p li f ica ti o n s  th e   Ru le  Ba se   f o r  S tab il iza ti o n   o f   In v e rted   P e n d u l u m   S y ste m ” ,   in   T e lec o mm u n ica ti o n ,   Co m p u ti n g ,   El e c tro n ics ,   a n d   C o n tr o l  ( T EL K OM NIKA) ,   v o l.   1 2 ,   n o .   7 ,   p p .   5 2 2 5 - 5 2 3 4 ,  Ju ly   2 0 1 4 .   [5 ]   M .   u l  Ha sa n ,   K. M .   Ha sa m ,   e t  a l. ,   “ De sig n   a n d   Ex p e rime n ta l  Ev a l u a ti o n   o f  a   S t a te  Fee d b a c k   Co n t ro ll e r  fo r  T w o   W h e e led   Ba la n c in g   R o b o t ” ,   1 7 th   IEE E  In tern a ti o n a l   M u lt i  T o p ic C o n f e re n c e   (INM IC),   Ka ra c h i,   2 0 1 4 :3 6 6 - 3 7 1 .   [6 ]   Jia n   F a n g ,   “ T h e   L QR  Co n tro ll e r  De sig n   o f   Tw o - w h e e led   S e lf - b a lan c in g   Ro b o t  Ba se d   o n   th e   P a rti c le  S w a rm   Op ti m iza ti o n   A lg o rit h m ” ,   in   M a th e ma ti c a l   Pro b lem s  in   En g in e e r in g ,   v o l. 2 0 1 4 ,   a rti c le  id . 7 2 9 0 9 5 ,   p p .   1 -   6 ,   Ju n e   2 0 1 4 .   [7 ]   K.  P ra k a sh ,   K.  T h o m a s ,   “ S tu d y   o f  Co n tr o ll e r  fo r  a   T w o   W h e e led   S e lf - b a la n c in g   Ro b o t ”,   I n tern a ti o n a l  Co n f e re n c e   o n   Ne x t  G e n e ra ti o n   In tell ig e n t  S y ste m s (ICN G IS ),   Ko tt a y a m ,   2 0 1 6 .   [8 ]   H.S .   Zad ,   A .   Ula s y a r,   A .   Zo h a ib ,   a n d   S . S .   Hu ss a in ,   “ Op ti ma l  Co n tro ll e r  De sig n   fo r  S e lf - b a la n c in g   T wo - w h e e led   Ro b o t  S y ste m ”,   In tern a ti o n a l  C o n f e r e n c e   o n   F r o n ti e rs  o f   In f o rm a ti o n   T e c h n o l o g y   (F IT ) ,   Isla m a b a d .   2 0 1 6 : 1 1 - 16.   [ 9 ]   C.   S u n ,   T .   L u ,   K.   Yu a n ,   “ Ba l a n c e   Co n tr o l  o f  T w o - wh e e led   S e l f - b a l a n c i n g   Ro b o t   Ba se d   o n   L i n e a r  Qu a d ra ti c   Reg u l a to r  a n d   Ne u r a l  Ne two rk ” ,  4 th   In ter n a ti o n a l  Co n f e re n c e   o n   In telli g e n t  C o n t ro l  a n d   In f o rm a t io n   P ro c e ss in g   (ICICIP ) ,   Be ij in g ,   2 0 1 3 :8 6 2 - 8 6 7 .   [1 0 ]   M .   M a jcz a k ,   P .   W a w rz y ń sk i ,  “ C o mp a ris o n   o f  T wo   Ef fi c ien t  C o n tro l  S tr a teg ies   fo r  T w o - wh e e l e d   Ba l a n c in g   Ro b o t ” ,  2 0 t h   In ter n a ti o n a l  Co n f e re n c e   o n   M e th o d s  a n d   M o d e ls  in   A u to m a ti o n   a n d   Ro b o ti c s  (M M A R),   M ied z y z d ro je,   2 0 1 5 : 7 4 4 - 7 4 9 .   [ 11 ]   Mi k a e l  A r v id ss o n ,   Jo n a s  Ka rlsso n ,   “ De sig n ,   Co n stru c ti o n   a n d   Ver if ica ti o n   o f  a   S e lf - b a la n c in g   Ve h i c le ” ,   Ch a lm e rs   Un iv e rsit y   o f   Tec h n o lo g y ,   De p a rtme n t  o f   S ig n a ls  a n d   S y ste m s,  Re p o rt  n u m b e r:  E X 0 5 0 ,   2 0 1 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Mo d elin g ,   S imu la tio n ,   a n d   Op tima l Co n tr o l fo r   Tw o - W h ee le d   S elf - B a la n cin g   ….   ( Mo d estu s   Oliver  A s a li )   2017   [ 12 ]   Zh ij u n   L i,   Ch e n g u a n g   Ya n g ,   L ip in g   F a n ,   “ A d v a n c e d   Co n tr o l  o f   W h e e led   In v e rted   P e n d u l u m   S y s tem s” ,   L o n d o n :   S p rin g e r,   2 0 1 3 .   [1 3 ]   Da v id   M o rin ,   “ In tr o d u c ti o n   t o   Clas sic a l  M e c h a n in c s  w it h   P ro b lem s  a n d   S o lu ti o n s” ,   Ne w   Y o rk :  Ca m b rid g e   Un iv e rsit y   P re ss ,   2 0 0 8 .   [1 4 ]   H.  D.  Yo u n g ,   R.   A .   F re e d m a n ,   “ Un iv e rsi t y   P h y sic s  w it h   M o d e rn   P h y sic s ” ,   Twe l f th   Ed it io n .   S a n   F r a n sisc o :  P e a rso n   A d isso n - W e sle y ,   2 0 0 7 .   [1 5 ]   Ka tsu h ik o   Og a ta,   “ M o d e r n   Co n tr o l  E n g in e e rin g ” ,   T h ird   E d it i o n ,   N e w   J e rse y :  P re n ti c e   Ha ll ,   1 9 9 7 .   [1 6 ]   R. C.   Do rf ,   R. H.  Bis h o p ,   “ M o d e rn   Co n tr o l  S y ste m ,   Tw e l f th   Ed it io n ,   Ne w   J e rse y :  P re n ti c e   Ha ll ,   2 0 1 1 .         B I O G RAP H I E S O F   AUTH O RS       M o d e stu s  O li v e r   As a li   w a s  b o rn   in   P o n ti a n a k ,   I n d o n e sia ,   i n   1 9 9 4 .   He   re c e iv e d   h is  Ba c h e lo r’s  d e g re e   w it h   a   c o n c e n tratio n   in   c o n tro l  e n g in e e rin g   f ro m   De p a rt m e n t  o f  El e c tri c a l,   Tan ju n g p u ra   Un iv e rsi ty ,   P o n t ian a k   in   2 0 1 7 .   He   is  i n tere ste d   in   m o d e rn   c o n tr o l  e n g in e e ri n g ,   a n d   c o n tro l   o f   n o n li n e a r  d y n a m ic a l  s y ste m .   He   n o w   li v e d   in   P o n ti a n a k   a n d   m a y   b e   re a c h e d   a t  m o d e stu s_ o li v e r@y a h o o . c o m           F e r r y   H a d a r y   is  a n   A ss istan t  P r o f e ss o r  o f   Ro b o t ics ,   C o n tro l   a n d   Co m p u tati o n     a t  T a n ju n g p u ra   Un iv e rsit y   (UN TA N),  P o n t ian a k ,   In d o n e sia .   He   e a rn e d   h is  B. En g .   d e g re e   f ro m   T a n ju n g p u ra   Un iv e rsit y ,   M .   En g .   f ro m   T o k y o   In stit u te o f   T e c h n o lo g y ,   J a p a n ,   a n d   Dr.  En g .   f ro m   K y u sh u   In stit u te o f   T e c h n o lo g y ,   Ja p a n .   He   is  c u rr e n tl y   t e a c h in g   a t  D e p a rt m e n t  o f   E lec tri c a l  En g in e e rin g ,   Tan ju n g p u ra   Un iv e rsit y .   In   h is  c a re e r  a s  a   re se a rc h e r  h e   re c e iv e d   se v e ra l  re se a rc h   g ra n ts  p re stig e   o f   th e   M i n istry   o f  Re se a rc h   T e c h n o l o g y   a n d   Hig h e r  Ed u c a ti o n   o f   th e   Re p u b li c   o f   In d o n e sia ,   G ra n ts  In te rn a ti o n a l  Co o p e ra ti o n   a n d   th e   Na ti o n a l  S tr a teg ic  (h ig h e st  r e se a r c h   g ra n ts  in   In d o n e sia ).   He   is  a lso   a   r e c ip ien t  o f   th e   Na ti o n a l  W o rk   F e a tu re d   T e c h n o lo g y   o f   th e   M in istry   o f   Re se a rc h   a n d   T e c h n o l o g y   o f   In d o n e sia   i n   2 0 1 4 .  His  in tere sts  a re   in   c o n tro l  s y ste m s,  ro b o ti c s,  n e w   a n d   re n e wa b le  e n e rg y .   He   m a y   b e   r e a c h e d   a t  f e rr y . h a d a r y @in v e n t. u n ta n . a c . id           B o m o   W i b o w o   S a n ja y a   wa s b o rn   in   P o n ti a n a k ,   In d o n e sia ,   in   1 9 7 4 .   He   re c e iv e d   h is  Ba c h e lo r’s d e g re e   in   c o n tro l   e n g in e e rin g   f ro m   De p a rtm e n t  o f   El e c tri c a l,   Tan ju n g p u ra   Un iv e rsity ,   P o n t ian a k   in   2 0 0 8 ,   h is  M a ste r’s  De g r e e   in   c o n tro l  e n g in e e rin g   f ro m   De p a rt m e n t  o f  El e c tri c a l,   Ba n d u n g   In stit u te  o f  T e c h n o lo g y   in   2 0 1 3 ,   a n d   h is  Do c to r’s  De g re e   in   c o n tro l  e n g in e e rin g   f ro m   S c h o o l  o f   El e c tri c a l   En g in e e rin g   a n d   In f o rm a ti c s,  B a n d u n g   In stit u te  o f   T e c h n o lo g y   in   2 0 1 4 .   No w ,   h e   is  a   lec tu re r   a t   De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l,   T a n ju n g p u ra   Un iv e rsity .   He   c u rre n t  re se a rc h   in tere sts  a r e   in   f u z z y   lo g ic,   n e u ra l  n e tw o rk s,  c o n tro l  o f   n o n li n e a r  d y n a m ic a l  s y ste m s.  He   m a y   b e   re a c h e d   a t   b o m o . w ib o w o @e e . u n tan . a c . id       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.