À la découverte du monde des robots agricoles

Les avancées technologiques comme l’évolution du contexte socio-économique ont non seulement favorisé l’innovation dans le domaine des robots agricoles, mais aussi accéléré leur adoption.

Alors que l’automatisation s’accélère dans presque tous les secteurs, l’agriculture suit une évolution plus progressive. En effet, les activités agricoles ne se prêtent pas facilement à l’automatisation. Des facteurs tels que les conditions extérieures imprévisibles et la nature de certaines cultures rendent la tâche même plus qu’ardue.

La récolte, par exemple, demeure une activité résolument manuelle. Certes, la récolte de cultures plutôt résistantes comme le blé et le maïs est automatisée depuis des décennies, mais pour des produits délicats comme des pommes, des tomates ou des prunes, la récolte se fait encore de préférence à la main. On ne peut cependant nier que l’automatisation des processus agricoles gagne du terrain, principalement sous l’impulsion de facteurs socio-économiques et des avancées technologiques.

L’évolution des technologies agricoles
De nombreux facteurs expliquent le besoin d’automatiser les activités agricoles, de la pression pour obtenir un meilleur rendement à la nécessité de réduire le recours au travail manuel. C’est le cumul de plusieurs de ces facteurs qui oblige souvent à devoir automatiser certaines opérations agricoles.

Les exploitations agricoles sont confrontées à deux problèmes majeurs en matière de main-d’œuvre. Le premier est le vieillissement de la population agricole. Seulement 5,6 % des exploitations européennes sont dirigées par des agriculteurs de moins de 35 ans et 31 % des agriculteurs ont plus de 65 ans.

Le second problème est le fait que les activités agricoles reposent en grande partie sur l’emploi de travailleurs saisonniers sous contrat temporaire. Selon le Comité économique et social européen (CESE), sur les plus de 2,4 millions de travailleurs saisonniers actifs dans le secteur agricole au sein de l’UE, environ 2 millions sont des ressortissants d’un État membre de l’UE et 0,4 million viennent d’un État hors UE.[footnoteRef:3] Or, avec le mouvement croissant d’urbanisation des populations mondiales, les exploitations agricoles éprouvent de plus en plus de difficultés à trouver de la main-d’œuvre immigrée. D’après une enquête menée au Royaume-Uni par le National Farmer’s Union (syndicat national des agriculteurs), 40 % des exploitants interrogés ont subi des pertes de récoltes en raison d’une pénurie de main-d’œuvre. Ainsi, les exploitations agricoles sont contraintes de travailler avec des effectifs réduits de 14 % par rapport au nombre de travailleurs dont elles ont besoin.

Une autre tendance préoccupante dans le secteur agricole est la disparition progressive des petites exploitations, pour la plupart familiales, au profit de grands groupes agricoles qui forment collectivement la « big ag ». Si les grands groupes ont les moyens d’investir dans l’automatisation et la robotique, cette transformation est souvent hors de portée des petits agriculteurs qui se voient dès lors dans l’incapacité de relever les défis de leur secteur d’activité et d’adopter des méthodes de travail innovantes.



le BCM4414 est un convertisseur à rapport de conversion fixe doté d’une sortie basse tension isolée de 1/16?e de pouce. (Source : Vicor.)

Développement technologique
Du pur point de vue technologique, les robots agricoles associent désormais des capteurs de positionnement et des capteurs de force de plus en plus précis à des actionneurs sophistiqués, ce qui les rend suffisamment précis pour récolter même les cultures les plus délicates. Cette précision peut encore être améliorée par l’utilisation de capteurs d’images assistés par une intelligence artificielle (IA). Ce progrès technologie ouvre la porte aux machines agricoles autonomes vers de nouvelles applications plus délicates à exécuter.

Des outils à main aux robots
Bien que l’on fixe conventionnellement le début de la révolution agricole au milieu du XVIIIe siècle, on ne peut ignorer tous les progrès techniques réalisés dans ce domaine tout au long des siècles précédents. Les archives babyloniennes mentionnent déjà l’utilisation du semoir au XVe siècle avant notre ère. En 1701, l’agronome et inventeur anglais Jethro Tull en présente une version modernisée qui révolutionnera les pratiques agricoles. C’est au tout début du XXe siècle que se produit la mécanisation et la motorisation des équipements agricoles et en premier lieu ceux destinés au traitement des céréales. C’est ainsi que les charrues, moissonneuses et batteuses traditionnelles ont progressivement cédé la place aux moissonneuses-batteuses.

Agriculture automatisée
En règle générale, les véhicules agricoles automatisés sont dotés de flèches ou de bras flexibles auxquels on peut adjoindre toute une série d’outils comme des semoirs, des charrues, des batteuses ou des séparateurs, mais aussi des dispositifs pour le nettoyage, la pulvérisation ou l’application de produits, ainsi que des sondes et des capteurs.

Pour être autonomes, les machines sont presque toujours dotées d’un système de navigation reposant sur un module GNSS/GPS afin d’en établir précisément le positionnement. Bien que la plupart de ces machines automatisées (et de plus en plus autonomes) se présentent encore sous la forme familière de tracteurs ou de drones et en conservent le nom, il serait plus exact de parler ici de robots.

Outils de désherbage mécaniques
Plusieurs fabricants de machines agricoles proposent des tracteurs automatisés avec des flèches équipées de pulvérisateurs associés à un système de vision par ordinateur reposant sur une IA. L’IA est utilisée pour distinguer les cultures des adventices et contrôler avec précision les pulvérisateurs qui cibleront les adventices sans traiter les cultures.

Le nouveau robot autonome LaserWeeder de Carbon Robotics utilise un tel système de vision par ordinateur assisté par une IA (hébergée sur des GPU Nvidia) capable de faire la distinction entre adventices et cultures. Sa particularité est de ne pas être associé à un pulvérisateur d’herbicide, mais à des lasers au CO2 de 150 watts chacun pour brûler les adventices. La version commerciale du LaserWeeder est un module qui peut être fixé à un tracteur, mais une version entièrement autonome est également disponible.

Moissonneuses-batteuses
Les moissonneuses-batteuses John Deere sont équipées de systèmes de navigation par satellite depuis le milieu des années 1990. Ce système est aujourd’hui suffisamment sophistiqué pour assurer le pilotage autonome, mais la machine requiert toujours un opérateur humain. Cependant, l’entreprise a récemment annoncé l’arrivée d’une option appelée Predictive Ground Speed Automation. Celle-ci est rétrocompatible avec ses moissonneuses-batteuses X9.

Cette option consiste à équiper la cabine de la moissonneuse-batteuse de deux caméras « stéréo » capables de mesurer en continu la hauteur et le volume de la récolte. Le système peut alors adapter la vitesse de déplacement de la machine sur la base de ces données. Selon John Deere, cette innovation permet aux agriculteurs d’augmenter le rendement de la moissonneuse-batteuse tout en réduisant les pertes à un minimum.

Les machines pour récolter les fruits et légumes
La majorité des systèmes agricoles sont terrestres, mais un nombre croissant d’appareils de plus petite taille utilisés pour la pulvérisation, le désherbage ou la cueillette empruntent aujourd’hui la voie des airs. Nous pouvons citer pour exemple le système conçu par Tevel pour cueillir les fruits fragiles de taille intermédiaire comme les poires, les abricots et les nectarines. Ce système consiste en une grappe de drones reliés par câble à un véhicule terrestre. Les drones réalisent la cueillette à l’aide de courtes perches dotées de ventouses à leur extrémité. Pour ce faire, le système utilise un ensemble de différents types de capteurs et s’appuie sur l’IA et l’apprentissage automatique (ML) pour sélectionner uniquement les fruits mûrs, les cueillir délicatement et les déposer soigneusement dans des bacs.



les antennes extérieures LPW de TE bénéficient d’une conception compacte et de la fiabilité requises pour les applications de robotique en extérieur. (Source : Mouser Electronics.)

Les technologies habilitantes
Pour nourrir une population mondiale qui devrait s’élever à 9,1 milliards d’individus à l’horizon 2050, la production alimentaire mondiale devrait augmenter de 70 % par rapport à 2005.[footnoteRef:5] Seulement, à en croire les projections actuelles, nous sommes encore loin de suivre une telle courbe de croissance. L’arrivée de nouvelles technologies d’automatisation dans le secteur agricole devrait nous aider à combler ce retard.

Certains robots agricoles ont été spécialement conçus sous une forme compacte et à faible consommation d’énergie afin de maximiser le temps de fonctionnement entre deux charges. D’autres systèmes agricoles en revanche sont – et seront probablement toujours – des équipements lourds qui nécessitent des batteries plus grosses et plus puissantes, souvent de plus de 400 VCC.

Vicor est une société spécialisée dans les composants haute puissance pour systèmes alimentés par batterie et propose des solutions sur mesure dans le domaine de la robotique agricole. Ainsi, sa série BCM de convertisseurs est capable de convertir le courant d’une batterie haute tension en un courant avec une tension nominale sûre de 48 V. Citons par exemple le convertisseur BCM4414. Doté d’un boîtier de 111 mm × 36 mm × 9 mm, il offre une puissance de sortie de 1 600 W avec une efficacité supérieure à 97 %.

Sa sortie 48 V isolée et sécurisée permet d’utiliser des convertisseurs de point de charge à rapport fixe ou régulé pour alimenter des rails individuels à basse tension en aval destinés selon les besoins à des systèmes de commande, d’entraînement ou de capteurs. Grâce à sa petite taille, son faible poids, son filtrage intégré des interférences électromagnétiques et sa conception isolée, le BCM4414 favorise l’intégration dans les conceptions de systèmes d’automatisation agricole.

La connectivité est une condition sine qua non pour garantir le fonctionnement autonome d’une machine. Si le mode de communication le plus répandu est la communication par satellite, la 5G se popularise, ainsi que les protocoles Wi-Fi^® et Bluetooth^® pour la communication locale. Cette connectivité permet la localisation du système et le retour de données ainsi que le contrôle et le fonctionnement à distance des machines. Elle s’avère également indispensable pour transférer des données vers et depuis les machines et les réseaux de capteurs déployés dans les exploitations agricoles. Tout ceci nécessite bien entendu une antenne adaptée. TE Connectivity/Linx Technologies propose justement une gamme d’antennes extérieures baptisée IPW et couvrant une bande de fréquences de 617 MHz à 7,1 GHz, ce qui les rend compatibles avec les protocoles cellulaires, le Wi-Fi et le LPWAN/ISM. Avec un gain pouvant atteindre 8,7 dBi, ces antennes assurent une connexion fiable dans les zones rurales. La certification IP67 garantit quant à elle une protection durable contre la poussière et l’eau.

La combinaison de plusieurs innovations apportées dans diverses technologies de capteurs a rendu possible la conception de machines autonomes pour la cueillette automatisée de fruits. Les capteurs d’image sont utilisés pour trouver chaque fruit et en déterminer la couleur et la maturité. Des capteurs comme l’AR2020 Hyperlux 20MP du fabricant On Semiconductorfournissent des images à très haute résolution avec une plage dynamique améliorée capables de garantir la précision des applications de vision par ordinateur même dans des conditions extérieures difficiles. Afin de trouver le meilleur équilibre entre performance et consommation d’énergie, ce capteur intègre également un certain nombre de fonctionnalités intelligentes telles que les modes Wake-on-Motion (WOM) ainsi que des fonctions de sous-échantillonnage pour réaliser des économies d’énergie et utiliser moins de données.

Les capteurs de position sont devenus suffisamment précis pour permettre aux dispositifs de manipulation, notamment les pinces, les ventouses et les ciseaux pour couper les grappes des vignes, de récolter les fruits sans les endommager. Murata Electronics propose une large gamme de capteurs MEMS, comme l’accéléromètre SCA3100-D07-1et le gyroscope SCC2230-D08-05, particulièrement adaptés aux systèmes de positionnement très sensibles aux forces d’inertie et à la pression, mais insensibles à d’autres variables environnementales. Les capteurs capacitifs en silicium de Murata sont constitués de verre et de silicium monocristallin. Ces capteurs présentent une excellente stabilité dans le temps et la température. Les gyroscopes sont si sensibles qu’ils peuvent capter des signaux aussi faibles que la rotation de la Terre.

Conclusion
Depuis l’utilisation du premier semoir jusqu’au développement de robots autonomes pour la cueillette des laitues, l’automatisation des processus agricoles n’a jamais changé de finalité. Les robots agricoles ont pour mission d’améliorer la sécurité alimentaire d’une population mondiale croissante en permettant de récolter les cultures de manière plus efficace, plus efficiente et plus économique. C’est l’exemple parfait d’une technologie incroyablement sophistiquée utilisée dans un but simple et bénéfique pour tous.

www.mouser.com