Hexacopter-Based Cyber-Physical System for Water Sampling with Adaptive Path Planning and Multi-Drone Coordination

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorPysarenko, Andrii
dc.contributor.authorRolik, Oleksandr
dc.date.accessioned2026-02-05T08:21:31Z
dc.date.available2026-02-05T08:21:31Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractThe object of this study is a hexacopter-based cyber-physical system designed for autonomous water sampling to support environmental monitoring, addressing the problem of inefficient control under dynamic conditions. The subject focuses on integrating physical flight control and water sampling operations with cyber supervisory functions, including real-time waypoint navigation, task scheduling, and multi-drone coordination, validated as a current system component. The research investigates the system’s performance under payload variations and wind disturbances, ensuring robustness and precision in adverse environments. The purpose is to improve efficiency of water sampling through this CPS, achieving enhanced flight stability and positioning accuracy via a cascade PID control system, optimizing mission planning with adaptive cyber strategies, and increasing scalability through multi-drone operations. This approach aims to surpass traditional UAV systems by using physical-cyber integration for precise, robust, and scalable water quality assessment. The methodology combines simulation-based and analytical techniques to develop and assess the hexacopter CPS. A 6-degree-of-freedom mathematical model, based on Newton-Euler equations, was constructed in MATLAB/Simulink to simulate hexacopter dynamics, incorporating payload and wind effects. The cascade PID control system was tuned using the Ziegler-Nichols method, with iterative optimization to reduce overshoot and settling time across three scenarios: 1 kg static payload, 1.5 kg dynamic payload, and 5 m/s wind. The cyber supervisory system, implemented in ROS 2, employs graph-based algorithms (Dijkstra’s for waypoint navigation, list-scheduling for task allocation) and a consensus protocol for multi-drone coordination, tested in a 500x500 m² environment. Performance metrics, such as position root mean square error (RMSE) and attitude errors, were analyzed to evaluate system effectiveness. Results demonstrate significant improvements in water sampling capabilities. The cascade control system achieved a 40–50% reduction in position RMSE and maintained attitude errors within ±0.8° to ±1.2°, ensuring stable flight. The cyber-physical framework reduced mission time by 15% through adaptive path optimization, while multi-drone coordination increased sampling coverage by 20%, enhancing scalability. These outcomes reflect the system’s precision and robustness that highlight novel control and coordination strategies with practical value for environmental monitoring. The study provides a foundation for future ecological applications.
dc.description.abstractotherОб'єктом цього дослідження є кіберфізична система на базі гексакоптера, призначена для автономного відбору проб води з метою моніторингу довкілля, що вирішує проблему ефективності керування в динамічних умовах. Предмет дослідження фокусується на інтеграції фізичного керування польотом та операцій з відбору проб води з плануванням місій на кіберрівні, включаючи навігацію по точках маршруту в режимі реального часу, планування завдань та координацію декількох дронів. Дослідження аналізує продуктивність системи за різних варіантів корисного навантаження та вітрових перешкод, забезпечуючи надійність та точність у несприятливих умовах. Метою дослідження є підвищення ефективності відбору проб води за допомогою кіберфізичної системи, досягнення підвищеної стійкості польоту та точності позиціонування за допомогою каскадної системи керування, оптимізація планування місій за допомогою адаптивних кіберстратегій та підвищення масштабованості за ррахунок використанням декількох дронів. Цей підхід спрямований на те, щоб перевершити традиційні системи БПЛА за допомогою фізично-кібернетичної інтеграції для точної, надійної та масштабованої оцінки якості води. Методологія поєднує моделювання та аналітичні методи для створення та оцінки кіберфізичної системи на основі гексакоптера. У MATLAB/Simulink побудована математична модель із 6 ступенями свободи на основі рівнянь Ньютона-Ейлера для моделювання динаміки гексакоптера з урахуванням корисного навантаження та впливу вітру. Каскадна система керування розроблена з використанням MATLAB/Simulink, коефіцієнти якої налаштовані за допомогою методу Зіглера-Ніколса, після чого проведена ітеративна оптимізація для мінімізації перерегулювання та часу стабілізації в трьох сценаріях: 1 кг статичного корисного навантаження, 1,5 кг динамічного корисного навантаження та вітер 5 м/с. Кіберфізична компонента, реалізована в ROS 2, використовує алгоритми на основі графів (Дейкстра для навігації по точках маршруту, лістинг-планування для розподілу завдань) та протокол консенсусу для координації декількох дронів, випробуваний в середовищі розміром 500x500 м². Для оцінки ефективності системи проаналізовані такі показники продуктивності як середньоквадратична похибка положення (RMSE) та похибки орієнтації. Результати демонструють підвищення можливостей відбору проб води. Каскадне керування дозволило зменшити середньоквадратичну похибку положення на 40–50% і утримувати похибки орієнтації в межах від ±0.8° до ±1.2° у всіх протестованих сценаріях, забезпечуючи точний і стабільний політ. Кіберфізична складова системи скоротила час виконання місії на 15% завдяки адаптивній оптимізації траєкторії, а координація декількох дронів збільшила зону відбору проб на 20%, підвищивши масштабованість. Ці результати відображають точність і надійність системи, що підкреслює нові стратегії керування та координації, які мають практичну цінність для моніторингу довкілля. Дослідження забезпечує основу для майбутніх екологічних застосувань.
dc.format.pagerangeP. 58-74
dc.identifier.citationPysarenko, A. Hexacopter-Based Cyber-Physical System for Water Sampling with Adaptive Path Planning and Multi-Drone Coordination / Andrii Pysarenko, Oleksandr Rolik // Information, Computing and Intelligent systems. – 2025. – No. 6. – P. 58-74. – Bibliogr.: 13 ref.
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/2786-8729.6.2025.333426
dc.identifier.orcid0000-0001-7947-218X
dc.identifier.orcid0000-0001-8829-4645
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/78657
dc.language.isoen
dc.publisherNational Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
dc.publisher.placeKyiv
dc.relation.ispartofInformation, Computing and Intelligent systems, No.6, 2025
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subjectwater sampling
dc.subjectcyber-physical systems
dc.subjectenvironmental monitoring
dc.subjectmulti-drone coordination
dc.subjectautonomous UAV
dc.subjectmission planning
dc.subjectвідбір проб води
dc.subjectкіберфізичні системи
dc.subjectмоніторинг довкілля
dc.subjectкоординація кількох дронів
dc.subjectавтономний безпілотний літальний апарат
dc.subjectпланування місій
dc.subject.udc004.9, 629.78, 504.4
dc.titleHexacopter-Based Cyber-Physical System for Water Sampling with Adaptive Path Planning and Multi-Drone Coordination
dc.title.alternativeКіберфізична система на основі гексакоптера для взяття проб води з адаптивним плануванням маршруту та координацією декількох дронів
dc.typeArticle

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
58-74.pdf
Розмір:
1.51 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Information, Computing and Intelligent systems, No. 6