La robotique agricole comprend l'utilisation de systèmes robotisés dans des domaines semi ou non structurés, à l'intérieur ou à l'extérieur. Dans World Robotics Services Robots, la robotique agricole comprend la culture, la traite, d'autres types d'élevage d'animaux et la robotique agricole. La robotique agricole est un domaine primaire de la recherche en robotique et de l'activité entrepreneuriale, comme l'indiquent les centres de recherche importants, les réseaux de recherche et d'affaires, et d'autres ressources.
Les types de robots couvrent les domaines suivants :
- Cultures arables, horticulture (notamment culture de légumes/fruits), toutes les tâches connexes, à savoir la gestion, la protection des cultures et la récolte..
- Gestion du bétail pour réduire la charge de travail des éleveurs, notamment en ce qui concerne la traite des vaches, la garde des troupeaux et la gestion des étables.
- La foresterie et la sylviculture pour la culture, la gestion et la récolte. Toutefois, à l'exception de l'automatisation accrue des moissonneuses existantes et de l'utilisation étendue des drones, il y a eu peu d'activité dans la gestion forestière..
Culture
Les robots agricoles ont fait l'objet d'une attention particulière ces dernières années, notamment les véhicules terrestres autonomes destinés à améliorer l'automatisation des cultures arables, ainsi que toutes les disciplines de l'horticulture, telles que les cultures maraîchères et fruitières, la floriculture et les pépinières, tant dans les serres que sur le terrain.
En outre, l'utilisation de véhicules aériens sans pilote (UAV) pour l'inspection, la surveillance, la cartographie et l'agriculture de précision par voie aérienne a donné des résultats prometteurs. Les demandes économiques, les pénuries de main-d'œuvre agricole qualifiée dans les régions agricoles, les besoins en nourriture et en fibres d'une population mondiale croissante et les normes (politiques) strictes continueront de stimuler le besoin commercial de robots agricoles.
Les innovations en matière de robotique et de numérisation dépendent de technologies avancées et abordables, telles qu'une grande variété de capteurs pour diverses applications, l'électronique associée et les systèmes de communication. La robotique joue un rôle central dans les principaux défis de l'agriculture du futur :
- L'agriculture de précision est un concept de gestion agricole qui se concentre sur chaque plante pour un traitement individuel.
- Interopérabilité des nouveaux systèmes robotiques et des machines agricoles conventionnelles
- Capteurs qui mesurent tous les paramètres pertinents nécessaires à la gestion autonome des cultures (par exemple, détection rapide et fiable en temps réel des nutriments dans le sol avec une haute résolution).
- Automatisation d'applications complexes, par exemple, la récolte de fruits et légumes
- Mise en place de systèmes de cultures mixtes, ou cultures intercalaires, pour accroître la biodiversité et le rendement grâce à des solutions numériques et robotiques
- Aujourd'hui, l'automatisation et la numérisation de l'agriculture sont principalement synonymes de gestion et de télémétrie des exploitations. Des entreprises établies, telles que BASF et Claas, ont développé les systèmes Xarvio et 365Farmnet, respectivement axés sur le soutien à la gestion des données pour les agriculteurs. Une revue de l'état de l'art est présentée dans la série "American Society of Agricultural and Biological Engineers" (ASABE).
Types d'opérations effectuées par les robots
Les robots agricoles sont principalement utilisés dans des environnements semi-structurés. Les serres permettent de réguler les conditions climatiques, la lumière et le sol et peuvent donc faciliter l'utilisation de solutions robotiques. Les robots en plein champ utilisent la disposition et la structure de ces champs tout en s'attaquant aux problèmes de lumière et de conditions climatiques. Les vergers présentent le contexte le plus complexe (pentes raides, partiellement non structurées)..
Le champ d'application des robots agricoles comprend :
- Agriculture de précision : Ces types de robots de terrain sont utilisés dans les petites exploitations ou les vignobles et permettent d'appliquer des techniques d'agriculture de précision. Ils sont souvent utilisés pour surveiller de manière autonome le sol et les cultures, collecter des données et appliquer des mesures précises de protection des cultures..
- Lutte contre les mauvaises herbes : Robots autonomes pour les tâches d'éradication des mauvaises herbes, de préférence non chimiques, telles que le désherbage mécanique, à l'eau chaude ou au chalumeau, ou la pulvérisation ciblée d'herbicides Pépinière. Automatisation : Automatisation des pépinières de cultures, principalement pour déplacer les plantes dans les grandes serres afin d'accroître l'efficacité et de remédier à la pénurie de main-d'œuvre.
- Récolte des cultures et des fruits : La récolte des cultures et des fruits peut être effectuée 24 heures sur 24, 7 jours sur 7..
Outre les véhicules autonomes, des manipulateurs avancés en termes de maniabilité et de sensibilité peuvent être utiles, ainsi que des systèmes de vision intelligents pour l'identification des cultures et des fruits.
- Plantation et semis : Une application émergente, les robots de terrain équipés de systèmes de vision 3D peuvent désormais planter et semer les cultures avec précision pour une croissance optimale..
Les mises en œuvre les plus courantes des robots à petite échelle sont les robots de désherbage, les porte-outils qui sont des plateformes polyvalentes pour de multiples applications, les plateformes de capteurs et les cueilleurs. En outre, des pulvérisateurs et des combinaisons de pulvérisateurs et de désherbeurs sont utilisés dans les champs, ainsi que des plateformes pour des cultures spéciales, comme les asperges ou le houblon. Toutes ces machines s'appuient fortement sur la technologie des capteurs et les méthodes d'analyse d'image basées sur l'IA.
De nombreux chercheurs mènent actuellement des recherches impressionnantes sur la fonctionnalité, la robustesse et la rentabilité des machines automatisées dans divers domaines de l'automatisation agricole. Un site détaillé d'évaluation de l'état de l'art en matière de robotique agricole est maintenu par le comité technique de l'IEEE sur la robotique et l'automatisation agricoles..
L'intérêt croissant pour l'automatisation de l'agriculture se manifeste également dans plusieurs événements, initiatives de recherche et concours internationaux, par exemple en Australie, aux États-Unis, en Europe et au Japon..
Outre les robots terrestres, les drones auront un effet transformateur sur l'automatisation de l'agriculture. Les drones sont utilisés et évalués dans le cadre de projets de recherche dans des domaines tels que l'analyse des sols et des champs, les levés, les semis aériens, la pulvérisation des cultures, l'irrigation et l'évaluation de la santé des plantes. À l'avenir, les drones pourraient collaborer de manière autonome en essaims pour s'attaquer à des tâches collectives et même aider les robots au sol en leur fournissant des données et des informations..
Niveau de distribution
Des systèmes de guidage autonome de machines agricoles, telles que des tracteurs ou des moissonneuses, ont été développés en Europe, en Australie, au Japon et aux États-Unis. À l'aide d'un système mondial de navigation par satellite (GNSS) et, dans certains cas, de capteurs optiques (détection et télémétrie par ondes lumineuses LiDAR, ou caméras de profondeur RVB-D) et d'ordinateurs embarqués, ces systèmes suivent la limite du sillon précédent ou génèrent des mouvements en synchronisation avec d'autres machines mobiles, par exemple pour transférer des cultures. Les machines à fonctionnement continu et à guidage autonome ont le potentiel de soulager les travailleurs de tâches fastidieuses dans les opérations de terrain. Les machines agricoles dotées d'assistants de guidage sont de facto standard chez de nombreux fabricants, mais elles nécessitent toujours la présence d'opérateurs pour surveiller les processus.
Transformation robotique des machines agricoles conventionnelles
Avec la large disponibilité de systèmes GNSS précis à cinématique en temps réel (RTK) offrant une précision de l'ordre du centimètre, la localisation sur le terrain combinée à la détection des cultures par capteurs ouvre des possibilités d'automatisation des semis, du désherbage, de la pulvérisation et de la récolte. Des prototypes de tracteurs autonomes ont été présentés par presque tous les grands fabricants de machines agricoles : tracteurs sans conducteur de la série Magnum de Case IH&rsquo ; Autonomous Concept Vehicle, tracteur électrique autonome de John Deere&rsquo ; tracteur robot de Yanmar&rsquo ; ProbotIQ Xpert de Fendt, concept NH Drive de New Holland&rsquo ; ou encore Autonomous Tractor Corporation, entre autres. Entre-temps, plusieurs systèmes d'aide à la conduite, par exemple ceux de Robot Makers GmbH, ont été développés en tant que compléments technologiques pour les tracteurs, permettant des systèmes d'assistance intelligents et des fonctions partiellement autonomes pour des machines agricoles éprouvées. Toutefois, il faudra un certain temps avant que les tracteurs autonomes puissent être appliqués. Cela est dû, d'une part, aux défis technologiques liés à la perception de l'environnement et, par exemple, à la localisation sûre associée, ainsi qu'à l'interaction homme-machine et animal-machine, et, d'autre part, au manque de directives ou de réglementations de la part des gouvernements..
Cultures arables et désherbage
Le désherbage est une tâche évidente à confier à des robots en raison de la forte intensité de main-d'œuvre qu'il requiert : s'il est effectué manuellement par des travailleurs ou pour éviter l'utilisation massive d'herbicides. Outre les dispositifs complémentaires pour les tracteurs conventionnels, une génération de robots à petite échelle a été développée au cours de la dernière décennie. Le BoniRob omnidirectionnel modulaire de Deepfield Robotics est une plateforme de recherche de premier plan et une start-up appartenant à Bosch. La localisation est effectuée par des mesures GNSS et LiDAR. Le désherbage s'effectue à l'aide d'un manipulateur qui pique les mauvaises herbes dans le sol. L'efficacité est estimée à 80 %. Plus récemment, de nouveaux concepts ont été présentés par AgroIntelli, ecoRobotix, ou Saga Robotics pour le désherbage et d'autres tâches de protection des cultures. La fertilisation précise par un robot mobile, en tant que concept d'agriculture intelligente, a été démontrée dans des champs de maïs par ROWBOT. L'Australian Centre of Field Robotics a conçu un robot de terrain léger, omnidirectionnel et alimenté par l'énergie solaire pour diverses applications. Cette plateforme de recherche, baptisée LadyBird, est équipée de capteurs pour la détection des mauvaises herbes, la navigation autonome et les tâches connexes, de manipulateurs pour la récolte, d'équipements de communication, ainsi que de composants logiciels connexes. Un accessoire robotique pour tracteurs appelé ARA a été développé par ecoRobotix. Le système peut traiter de grandes cultures en ligne, des cultures maraîchères et des pâturages. Les mauvaises herbes sont détectées à l'aide de systèmes de caméra et d'intelligence artificielle et pulvérisées avec précision avec une petite quantité d'herbicide. Il permet : de réduire efficacement la quantité d'herbicide utilisée. Outre les nouveaux robots et les nouvelles technologies robotiques, des outils logiciels sont développés pour l'automatisation des machines agricoles conventionnelles. Octinion et Autonomous Solutions Inc. ont introduit les premiers produits logiciels. Pour la manipulation des plantes en pot dans les pépinières et les serres, Harvest Automation a mis au point un petit robot sur roues qui effectue les procédures de prélèvement et de mise en place, un travail fastidieux et long habituellement effectué par du personnel humain. De nombreux fournisseurs doivent embaucher des travailleurs supplémentaires pour déplacer et espacer les pots dans les grands champs lorsqu'ils cultivent des plantes sans l'aide d'un robot. Ces petits robots utilisent la détection locale pour naviguer, identifier les pots, mesurer et maintenir la distance correcte entre eux.
Cueillette de fruits et légumes
De nombreuses recherches sur la détection d'images et la planification de la préhension pour les robots de cueillette de fruits sont disponibles. Une évaluation approfondie de l'état de l'art de la recherche et du développement (R & D) récents a révélé qu'" en moyenne, le succès de la localisation était de 85 %, le succès du détachement de 75 %, le succès de la récolte de 66 %, les dommages aux fruits de 5 %, les dommages au pédoncule de 45 % et le temps de cycle de 33 secondes ". Un article sur les taux de détection des fruits et légumes conclut qu'aucun des systèmes de vision par ordinateur ne peut encore rivaliser avec la capacité de la main d'œuvre humaine, en particulier en matière de vision et de reconnaissance. La récolteuse robotisée rentable en temps réel et entièrement automatique est peut-être encore loin du statut de prototype final. Un facteur essentiel des coûts encourus pour la récolte automatisée est la vitesse de cueillette : plus elle est rapide, mieux c'est. Mais surtout dans le cas des fruits tendres, il faut pouvoir garantir une récolte sans dommage des fruits. La pré-structuration des arbres ou des arbustes peut contribuer de manière significative à augmenter les taux de détection et de cueillette des fruits, ainsi qu'à simplifier la procédure de préhension. Des exemples ont été présentés par Shibuya Harvesting, Harvest Croo et Octinion pour les fraises. Les robots de cueillette de fruits sont fournis, par exemple, par DBR Conveyor Concepts et Abundant Robotics pour les pommes, Energid pour les agrumes, et Robotics Plus technologies pour les kiwis et les pommes. Les robots peuvent être d'une aide précieuse pour des tâches relativement simples en agriculture, telles que la cartographie de surface, le diagnostic des plantes et la détection des maladies, en particulier pour les produits sensibles comme le raisin. Par exemple, le Vitirover détecte la santé des vignobles par l'évaluation quantitative de la récolte, la détection des premiers signes de maladie, les relevés météorologiques, le comptage de la population d'insectes, etc. Un système à chenilles similaire servant de plate-forme pour diverses tâches agricoles dans les vergers et les plantations, notamment la pulvérisation, a été présenté par la société Agribot. Une utilisation importante des robots dans les vergers et les vignobles se fait par le biais des drones. Ces dispositifs robotiques semi-autonomes sont utilisés pour surveiller les plantes et aider à l'application d'herbicides. Des exemples de drones développés pour l'exploitation dans les zones agricoles sont l'Agras T16 de DJI, le SenseFly Ag 360 de senseFly, ou le Farmbird Mavic 2 Pro Hasselblad de Helm Software. Les exemples d'utilisation de robots intérieurs concernent l'automatisation des serres. La plupart des solutions d'automatisation se concentrent sur la logistique par le biais de véhicules à guidage autonome pour le transport des fruits et des plantes. Cependant, avec le projet et maintenant spin-off, Sweeper, un robot pour la récolte de poivrons en serre a été introduit en 2018. Des produits disponibles dans le commerce sont également observés dans la protection des cultures, par exemple, un robot de pulvérisation de Bogaerts..
Considérations sur les coûts et avantages et défis marketing
Parmi les nombreux avantages de l'automatisation agricole, les avantages suivants ressortent :
- Selon la Banque mondiale, le monde devra produire 70 % de nourriture en plus d'ici 2050 si la population mondiale continue de croître au rythme actuel. Les rendements des cultures, c'est-à-dire le nombre de récoltes par unité de surface, devront augmenter au moins autant que la demande pour éviter que les terres cultivées n'empiètent davantage sur les habitats naturels.
- Le ministère américain de l'agriculture fait état d'un âge médian des producteurs de produits agricoles de 58 ans en 2017, contre 55 ans en 2002, d'autres pays présentant des données similaires. L'incapacité à fournir à l'agriculture une main-d'œuvre légale et bien rémunérée (par exemple, aux États-Unis) a été l'un des principaux moteurs de la robotique et de l'automatisation.
- Réduction de l'empreinte écologique de l'agriculture grâce à l'agriculture de précision, notamment en raison du comportement des consommateurs et des politiques alimentaires.
La croissance de la productivité dans le secteur agricole a été rendue possible par l'utilisation accrue de la technologie au cours des dernières décennies. Elle se reflète dans le degré croissant d'intensité capitalistique de l'agriculture : Avec 284 000 euros de capital pour chaque membre de sa population active, l'agriculture est l'une des industries les plus capitalistiques ; en outre, le capital disponible par entreprise est de 117,4 000 euros en Allemagne, dont 32,9 000 euros par an en moyenne, après déduction des retraits, pour les dépenses en capital..
En raison des volumes d'investissement limités, les décisions de dépenses dans chaque grande entreprise agricole seront prises de manière systématique et en fonction de la rentabilité économique. En ce qui concerne les investissements dans les nouvelles technologies, il a été constaté que dans l'industrie agricole, ces investissements dépendent non seulement de la situation économique de l'entreprise mais aussi d'autres facteurs qualitatifs, notamment du niveau d'éducation et de l'âge des décideurs. Cet ensemble de facteurs socio-économiques est comparable à celui de la plupart des pays industriels, de sorte qu'il existe un intérêt et un potentiel importants en matière d'investissement robotique dans pratiquement tous les types d'exploitations agricoles (élevage laitier, élevage, cultures, fruits, etc.)..
Les robots cueilleurs de fruits sont en cours de développement depuis de nombreuses années. Ces robots sont conçus pour détecter et localiser les fruits mûrs sur les arbres (p. ex., pommes, raisins) ou sur le sol (p. ex., fraises). Différentes approches ont été utilisées, en fonction du type de fruit ou de légume.
Les capteurs proche infrarouge (NIR) ou RVB-D peuvent généralement fournir suffisamment d'informations pour un algorithme de classification ultérieur, par exemple basé sur des réseaux neuronaux convolutifs (CNN). Ces algorithmes affichent déjà des taux de réussite pour la classification de plus de 90%. Outre le lieu et la date, le moment de la cueillette est déterminant pour le succès économique.
Le concept sous-jacent de manipulation, de préhension et de récolte semble être le goulot d'étranglement d'un lancement réussi sur le marché. Jusqu'à présent, de nombreux projets de recherche ont été réalisés, mais peu de choses ont filtré dans le monde commercial. Un projet plus réussi a été présenté avec un système de récolte de pommes, utilisant la succion au lieu d'un processus de préhension complexe (Washington State University, USA).
D'autres recherches adoptent une approche holistique de la cueillette des fruits en cultivant des cultures spéciales de plantes, en essayant d'obtenir une croissance prévisible des plantes pour faciliter l'entretien et la récolte. Les concombres, les poivrons et les tomates en sont des exemples.
Comme la plupart des légumes sont cultivés et récoltés dans des serres, l'effeuillage des plantes autour des légumes est considéré comme une tâche fastidieuse. Le Kompano Deleaf-Line de Priva (Pays-Bas) offre aux producteurs une alternative économiquement viable et entièrement automatisée pour l'effeuillage manuel des cultures de tomates. Le robot doit trouver et enlever autant de feuilles que possible avec un minimum de travail résiduel, couper la feuille avec un risque minimal de maladie, comme le Botrytis, et enlever les feuilles assez rapidement et, par conséquent, de manière rentable..
En outre, des équipements mobiles équipés de GPS pour des tâches spécifiques sont désormais disponibles. À titre d'exemple de cette catégorie, un robot de plantation de riz a été présenté par l'Organisation nationale de recherche agricole et alimentaire (NARO, Japon). Ce robot primé est conçu pour aider les agriculteurs en travaillant de manière autonome pour planter du riz dans un ensemble de coordonnées programmées. Il faut environ 50 minutes au robot pour ensemencer 3 000 mètres carrés (0,75 acres) de terre. 45 Le robot permet aux agriculteurs d'enregistrer facilement les quantités d'engrais et de pesticides utilisées dans les différentes parties du champ pendant la croissance du riz. Par conséquent, on s'attend à ce qu'il contribue à assurer la sécurité alimentaire, à aider la société à faire face au vieillissement et au déclin de la population agricole et à accroître l'autosuffisance du Japon dans le domaine de l'alimentation..
Cependant, lorsque les environnements sont plus structurés et protégés des conditions climatiques, comme dans les serres, l'utilisation du robot peut être plus favorable. L'automatisation des serres à l'aide de robots peut garantir la stabilité de la main-d'œuvre, l'efficacité de la production et l'augmentation des bénéfices, dont l'industrie des pépinières et des serres a tant besoin. Cependant, malgré de nombreuses études, peu de produits sont apparus dans la pratique jusqu'à présent..
Ta solution de rechange à ces moissonneuses robotisées reste le travail manuel avec ou sans machines actionnées. Par rapport aux solutions robotiques, cela se traduit par une tendance à des coûts d'investissement plus faibles et des coûts variables plus élevés..
En dehors des tracteurs ou des moissonneuses partiellement autonomes, l'utilisation des drones a été quantifiée dans une étude de l'American Farm Bureau Federation et Informa Economics en 2016 : Il fournit le premier véritable outil abordant les avantages économiques de la technologie des drones dans diverses opérations agricoles. Le calculateur de retour sur investissement (ROI)&trade ; peut être utilisé par les agriculteurs américains de maïs, de soja et de blé pour les applications de drones suivantes : repérage des cultures, cartographie de terrain en 3D et assurance récolte. Le calculateur de retour sur investissement estime que pour les agriculteurs qui utilisent un drone en tant que service pour améliorer le repérage des cultures, par exemple, le retour sur investissement est de 12 USD par acre pour le maïs, de 2,60 USD par acre pour le soja et de 2,30 USD par acre pour le blé..
Étant donné que de nombreux robots ne sont pas encore en mesure d'apporter une valeur économique ajoutée, l'acquisition d'un robot ne semble souvent intéressante que pour les premiers utilisateurs. Cependant, les perspectives d'une automatisation plus poussée dans l'agriculture semblent être généralement brillantes, comme l'a prouvé la faisabilité économique. Face à l'augmentation du coût de la main-d'œuvre et à l'accroissement de la demande alimentaire, les robots agricoles sont considérés comme une source d'innovation essentielle dans le secteur primaire..