Design and Development of a Ducted-Fan UAV for Agricultural Purposes

Ferudun Efe Ketme

TR EN

Tarımsal Amaçlı Kanallı Fanlı İHA'nın Tasarımı ve Geliştirilmesi

Öz

Askeri ve sivil birçok alanda olduğu gibi, tarımsal uygulamalarda da insansız hava araçlarının (İHA) kullanımı artmaktadır. Tarımsal uygulamalarda kullanılacak İHA konfigürasyonu, verimlilik, yük kapasitesi ve manevra kabiliyeti gibi özellikler dikkate alınarak seçilmektedir. Bu çalışma, bitki sağlığı izleme gibi tarımsal uygulamalar için kanallı fanlı bir İHA tasarlamayı ve geliştirmeyi amaçlamaktadır. Tarımda kullanılan dört pervaneli hava araçları gibi yaygın İHA tasarımları, açık pervaneleri nedeniyle genellikle düşük verimlilik ve ekin tarlaları gibi yoğun ortamlarda yüksek hasar riskinden mustariptir. Çok rotorlu İHA'lara kıyasla, kanallı fanlı tasarım, İHA'yı yoğun ortamlardan koruyabilir ve pervanenin verimliliğini artırabilir. Kanallı fanlı İHA'lar genellikle bir kanal içine yerleştirilmiş tek bir pervane ve pervanenin altına yerleştirilmiş kanatçıklardan oluşmaktadır. Bu kanatçıklar, İHA'nın ağırlık merkezine göre eğim ve yuvarlanma momentlerini değiştirerek farklı yönlerde hareket etmesini sağlar. Çalışmada, İHA tasarımı için belirlenen gereksinimleri karşılamak üzere özel bir pervane ve kanal tasarlanmıştır. Kanallı fanlı İHA için tasarlanan pervane ve kanal, İHA tasarımını özgün kılmakta ve İHA maliyetini düşürmektedir. Önerilen pervane ve kanal tasarımlarını doğrulamak için ANSYS Fluent programında aerodinamik analiz yapılmış ve sonuçlar sunulmuştur. Kanallı fanlı İHA için bir kontrolcü tasarlanmış ve Simscape Toolbox kullanılarak Matlab Simulink'te oluşturulan bir İHA modeli üzerinde test edilmiştir. Simülasyon ortamında yapılan testler sonucunda, tasarlanan İHA'nın tarımsal uygulamalarda kullanılabilir olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

İHA , Kanallı Fan , Pervane Tasarımı , ANSYS , Simscape

Design and Development of a Ducted-Fan UAV for Agricultural Purposes

Abstract

As in many military and civilian areas, the use of unmanned aerial vehicles (UAVs) is increasing in agricultural applications. The configuration of the UAV to be used in these applications is selected by taking into consideration features such as efficiency, payload capacity, and maneuverability. This study aims to design and develop a ducted-fan UAV for agricultural applications such as plant health monitoring. Common UAV designs like the quadcopter used in agriculture often suffer from low efficiency and a high risk of damage in dense environments such as crop fields because of their open propellers. Compared to multi-rotor UAVs, ducted-fan design can protect the UAV from dense environments and increase the efficiency of the propeller. Ducted fan UAVs generally consist of a single propeller placed inside a duct and fins placed under the propeller that allow the aircraft to move in different directions by changing pitch and roll moments with respect to the center of gravity of the UAV. In the study, a special propeller and a duct are designed to meet the requirements set for the UAV design. The designed propeller and duct for the ducted-fan UAV makes the design unique and reduces the cost of the UAV. To validate the proposed propeller design, aerodynamic analysis is done in ANSYS Fluent, and the results are presented. A controller for the ducted fan UAV is designed and it is tested on a model of the UAV created in Matlab Simulink used by Simscape Toolbox. As a result of tests carried out in a simulation environment, it is observed that the designed UAV is capable of being used in agricultural applications.

Keywords

UAV , Ducted-Fan , Propeller Design , ANSYS , Simscape

Kaynakça

[1] C. T. Modlin and J. J. Modlin, “The 1.5 and 1.4 ultimate factors of safety for aircraft and spacecraft: History, definition, and applications,” 2014.
[2] H. Jiang and Y. Zhang, “Aerodynamic design and evaluation of a ducted fan lift system for vertical takeoff and landing flying cars,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, pp. 115–125, 2023.
[3] J. G. Leishman, Principles of Helicopter Aerodynamics. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2006.
[4] S. Raut and A. F. Shaikh, “Plant disease detection using image processing,” International Journal of Innovative Research in Science, Tamilnadu, India, 2017.
[5] J. Smith, UAV System Design Principles. New York, NY, USA: Aviation Press, 2015.
[6] M. Yacoubi, A. Jlassi, J. Karoun, T. Ben Kirane, L. Bekkali, H. Jhabli, and P. Hendrick, “Design and optimization of a ducted fan VTOL MAV controlled by electric ducted fans,” in Proceedings of the 8th European Conference for Aeronautics and Aerospace Sciences (EUCASS), Brussels, Belgium, 2019.
[7] Z. B. Husin and A. Y. Aziz, “Feasibility study on plant chili disease detection using image processing,” in Proceedings of the Third International Conference on Intelligent Systems Modelling and Simulation, Kota Kinabalu, Malaysia, pp. 291–296, 2012.
[8] Z. Zhang and M. B. Liu, “Design of ducted fan based on optimal circulation distribution,” Journal of Physics: Conference Series, in Proceedings of the 6th International Conference on Fluid Mechanics and Industrial Applications (FMIA 2022), Taiyuan, China, 2022.
[9] G. Heredia, A. Ollero, M. Bejar, and R. Mahtani, “Sensor-based control of a multirotor aerial robot,” in Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Kobe, Japan, 2009, pp. 1–6, doi: 10.1109/ROBOT.2009.5152380.
[10] A. Ji and K. Turkoglu, “Development of a low-cost experimental quadcopter testbed using an Arduino controller and software,” arXiv preprint arXiv:1508.04886, 2015. [Online]. Available: https://arxiv.org/abs/1508.04886

[11] R. Mahony, V. Kumar, and P. Corke, “Multirotor aerial vehicles: Modeling, estimation, and control of quadrotor,” IEEE Robotics & Automation Magazine, vol. 19, no. 3, pp. 20–32, 2012, doi: 10.1109/MRA.2012.2206474.
[12] Design World, “Motion basics: How to define roll, pitch, and yaw for linear systems,” Linear Motion Tips, Feb. 25, 2020. [Online]. Available: https://www.linearmotiontips.com/motion-basics-how-to-define-roll-pitch-and-yaw-for-linear-systems/
[13] M. H. Sadraey, Aircraft Design: A Systems Engineering Approach. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2013.[14] Z. Yu, "A Novel Tandem Ducted Fan UAV Attitude Control Based on Cascade PID Controller," 2023 42nd Chinese Control Conference (CCC), Tianjin, China, 2023[15] J. Xu, G. Tian and Z. Hu, "Attitude control of ducted fan UAV with three auxiliary rotor," 2016 35th Chinese Control Conference (CCC), Chengdu, China, 2016
[16] J. Zhao, Q. Hou, H. Jin, Y. Zhu and G. Li, "CFD analysis of ducted-fan UAV based on Magnus effect," 2012 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Chengdu, China, 2012
[17] X. -l. Ren, C. -h. Wang and G. -x. Yi, "Ducted fan UAV hovering attitude control," Proceedings of 2011 International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology, Harbin, China, 2011
[18] A. Manouchehri, H. Hajkarami and M. S. Ahmadi, "Hovering control of a ducted fan VTOL Unmanned Aerial Vehicle (UAV) based on PID control," 2011 International Conference on Electrical and Control Engineering, Yichang, China, 2011
[19] P. Velusamy, S. Rajendran, R. K. Mahendran, S. Naseer, M. Shafiq and J.-G. Choi, “Unmanned Aerial Vehicles (UAV) in Precision Agriculture: Applications and Challenges,” Energies, vol. 15, no. 1
[20] Nandini Singh, Deeksha Gupta, Mansi Joshi, Kamalkant Yadav, Somanath Nayak, Manish Kumar, Kratika Nayak, Shani Gulaiya, and Ashutosh Singh Rajpoot. 2024. “Application of Drones Technology in Agriculture: A Modern Approach”. Journal of Scientific Research and Reports

Ayrıntılar

Birincil Dil

İngilizce

Konular

Hava Taşımacılığı ve Nakliye Hizmetleri

Bölüm

Araştırma Makalesi

Yazarlar

Ferudun Efe Ketme ^*
Türkiye

Yayımlanma Tarihi

31 Aralık 2025

Gönderilme Tarihi

14 Kasım 2025

Kabul Tarihi

25 Aralık 2025

Yayımlandığı Sayı

Yıl 2025 Cilt: 2 Sayı: Aviation Technologies and Applications Conference (ATAConf'25) Special Issue

IZ

https://izlik.org/JA82ZB98UY

APA

Ketme, F. E. (2025). Design and Development of a Ducted-Fan UAV for Agricultural Purposes. Ege Üniversitesi Ulaştırma Yönetimi Araştırmaları Dergisi, 2(Aviation Technologies and Applications Conference (ATAConf’25) Special Issue), 85-111. https://izlik.org/JA82ZB98UY

Tarımsal Amaçlı Kanallı Fanlı İHA'nın Tasarımı ve Geliştirilmesi

Öz

Anahtar Kelimeler

Design and Development of a Ducted-Fan UAV for Agricultural Purposes

Abstract

Keywords

Kaynakça

Ayrıntılar

Birincil Dil

Konular

Bölüm

Yazarlar

Yayımlanma Tarihi

Gönderilme Tarihi

Kabul Tarihi

Yayımlandığı Sayı

IZ

Kaynak Göster