AgTech: Un robot intelligent équipé d’une caméra industrielle uEye+ met fin aux herbicides

Les produits phytosanitaires font partie intégrante de l’agriculture d’aujourd’hui. Ils sont destinés à protéger les cultures et à éloigner les mauvaises herbes et les parasites. En 2019, le groupe des herbicides (désherbants) a représenté 50,6 % des produits phytosanitaires dispensés, selon l’Agence fédérale allemande pour l’environnement. Malheureusement, en plus de l’effet recherché, ceux-ci comportent de nombreux risques pour l’homme et l’environnement. Ils mettent ainsi en danger la biodiversité et la qualité de l’eau des zones adjacentes. La biodiversité est en déclin. Le projet étudiant Rowesys a été lancé à l’été 2019 à l’École polytechnique fédérale (EPF) de Zurich avec pour objectif de développer un robot pour une agriculture plus durable, sans utilisation excessive d’herbicides. Sous le robot se trouve une caméra industrielle uEye+ avec interface GigE Vision de la société IDS Imaging Development Systems GmbH.

L’équipe, composée de dix étudiants en génie électrique, en génie mécanique et en design industriel, a construit un premier prototype fonctionnel appelé Rosie en seulement neuf mois. Le robot se compose d’une coque extérieure qui protège tous les composants à l’intérieur du boîtier. À l’intérieur, il comporte deux batteries puissantes et un boîtier de commande qui contient la plupart des composants électriques du système. Une structure faite de profilés en aluminium forme le squelette du robot. À l’aide de quatre petits socs de charrue à ressort individuel, Rosie enlève les mauvaises herbes entre les plantes semées de manière purement mécanique. Ils sont tirés dans le sol derrière le robot, à gauche et à droite des rangées de plantes. Cela signifie que l’utilisation d’herbicides nuisibles à l’environnement peut être abandonnée. Comme le robot navigue de manière autonome dans le champ, l’effort de l’agriculteur est réduit au minimum. En même temps, une commande douce et intuitive est également possible via un joystick.

Pour pouvoir naviguer de manière autonome dans un champ, Rosie doit d’abord être capable de percevoir la position exacte ainsi que la fin d’une rangée de plantes. Pour ce faire, le robot dispose de plusieurs caméras et capteurs ainsi que d’algorithmes de reconnaissance de trajectoire et de position. D’après les données ainsi obtenues, il se déplace toujours le long de la ligne détectée dans le champ. Lorsqu’il atteint la fin, il passe en mode rotation et trouve la ligne suivante. Il continue ainsi jusqu’à ce que tout le champ ait été travaillé. Grâce à quatre moteurs, chaque roue peut être contrôlée individuellement. Cela rend Rosie très mobile et lui permet, entre autres, de faire un tour complet sur place.

Actuellement, l’équipe continue à développer et à optimiser le système. Diverses tâches de suivi sont à l’ordre du jour. L’objectif est d’observer les plantes sur une période plus longue afin de fournir à l’agriculteur ou à l’éleveur des informations sur le comportement de croissance, entre autres. À cette fin, Rosie a également été équipée d’une robuste caméra industrielle IDS. « À l’aide des images, nous distinguons les mauvaises herbes des cultures pour un désherbage sans herbicide. » Un outil actif situé sous le robot doit également être capable d’enlever les mauvaises herbes directement autour des plantes. « À l’avenir, le traitement intelligent des images permettra d’extraire beaucoup plus d’informations, qu’il s’agisse de données pour l’estimation du rendement ou de la détection précoce des maladies des plantes », explique Timo Schönegg de l’EPF de Zurich – projet de mise au point Rowesys.

Aider les agriculteurs à l’avenir à prendre des mesures à un stade précoce

La caméra est montée sous le robot et est orientée verticalement vers le bas. Pendant que le robot se déplace dans les champs, elle enregistre les plantes par le haut. Grâce aux réseaux neuronaux, les analyses ci-dessus peuvent être effectuées en fonction de l’application. Ces informations devraient ensuite aider les agriculteurs à l’avenir à prendre des mesures à un stade précoce, par exemple contre les infestations fongiques. Rosie a jusqu’à présent été utilisé pour des essais sur le terrain dans des champs de betteraves à sucre, de blé et de maïs.

Le modèle de caméra utilisé doit répondre à des spécifications particulières pour une utilisation sur le terrain. « Pour nos évaluations, nous avons besoin d’une caméra avec un capteur couleur haute résolution et un faible temps d’exposition pour obtenir des images nettes, malgré le déplacement constant du robot. Comme il peut également être exposé à des conditions difficiles dans les champs, en fonction de la météo, il doit également être protégé contre la poussière et les projections d’eau », explique Timo Schönegg. Les autres critères de sélection étaient la compatibilité avec Linux/ROS, une taille compacte et une transmission rapide des données pour des temps de réponse courts. Il fallait également prévoir la possibilité d’utiliser des objectifs grand angle.

Pour une excellente qualité d’image, même avec peu de lumière ou lors de la prise de vue de sujets en mouvement rapide, l’objectif GV-5040FA-C-HQ est équipé du capteur CMOS à obturateur global IMX273 de la gamme Pregius de Sony. Ce dernier marque des points notamment en matière de sensibilité et de plage dynamique élevée. La résolution du capteur est de 1,58 MPixel (1456 x 1088 px) avec une fréquence d’images de 78,0 images par seconde.

Le robot est commandé et les capteurs sont lus via la bibliothèque ROS (Robot Operating System Library) dans le langage de programmation C++. Comme il existe déjà un pilote ROS fonctionnel pour la caméra IDS, son intégration a été simple et a demandé peu d’efforts. Pour le traitement ultérieur des images, l’équipe de l’EPF utilise des algorithmes développés en interne pour distinguer les mauvaises herbes des cultures, comme décrit ci-dessus. « Des algorithmes d’apprentissage automatique pour l’estimation du rendement et la détection des maladies à l’aide des données enregistrées sont en cours de planification », explique Timo Schönegg.

Les robots agricoles joueront un rôle de plus en plus important à l’avenir. Pour être en mesure d’exécuter de manière fiable les différentes tâches dans n’importe quel environnement et dans différentes conditions de lumière et de météo, ils ont besoin non seulement d’un bon logiciel de traitement d’images, mais surtout de caméras fiables. L’utilisation de ces systèmes de caméras sur les futurs robots sera très variée – des caméras 3D aux caméras multispectrales. À l’avenir, l’équipe Rowesys continuera à travailler sur des solutions intelligentes basées sur des caméras en particulier et contribuera à une agriculture plus durable et plus efficace grâce à des technologies innovantes. Adieu mauvaises herbes ! Bye-bye les herbicides ! Bonjour environnement !

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