Comment les véhicules autonomes vont améliorer la durabilité et la productivité de l'agriculture

Les tracteurs autonomes, les drones et les robots de semis, de désherbage et de récolte font partie des diverses technologies en cours de développement qui transformeront l'agriculture et contribueront à atténuer les pénuries alimentaires en améliorant la durabilité et la productivité des activités agricoles. Grâce aux véhicules autonomes de tous types, les travailleurs seront libérés de la conduite des tracteurs et d'autres machines, ce qui leur permettra d'effectuer des activités à plus forte valeur ajoutée. Cela inclut la mise en œuvre d'une agriculture de précision qui permettra d'augmenter les rendements, de réduire les effets négatifs sur l'environnement et d'améliorer la durabilité des opérations agricoles en s'attaquant aux problèmes liés à la pénurie d'eau, au manque de main-d'œuvre et à d'autres limitations.

Alors que les drones et les robots agricoles représentent de nouveaux systèmes développés et déployés à partir de zéro, les tracteurs sont différents. Il y a déjà une grande base installée de tracteurs, et ils ont tendance à avoir une longue durée de vie. Par conséquent, outre le développement de nouveaux modèles entièrement automatisés, les tracteurs existants seront mis à niveau avec des moteurs électriques et des systèmes numériques à des fins spécifiques, pour des « outils de tracteurs numériques ».

Cet article traite du développement des outils de tracteurs numériques et des tracteurs électriques émergents. Il passe en revue les défis liés à la mise en service de tracteurs autonomes et montre comment les drones, les capteurs sur les tracteurs, l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique (ML) sont utilisés dans l'agriculture de précision. Il examine également certaines des technologies nécessaires pour développer des véhicules agricoles autonomes et la manière dont la vaste offre de produits de DigiKey, y compris la vision artificielle, les moteurs et les commandes, les convertisseurs de puissance, les capteurs et les commutateurs, les interfaces de communication avec et sans fil, et une gamme de câbles et de connecteurs de signaux et d'alimentation, peut aider les concepteurs à accélérer leurs processus de développement. L'article se termine par un bref aperçu de l'avenir, où des fermes entièrement autonomes seront contrôlées par des systèmes d'exploitation sophistiqués capables de gérer des flottes mixtes, comprenant à la fois des équipements agricoles autonomes et standard, afin de maximiser la productivité et la durabilité.

Outils agricoles dans l'ère ISObus

Comme l'Industrie 4.0, l'agriculture s'oriente vers l'utilisation de machines intelligentes et interconnectées. C'est là qu'intervient l'ISO 11783, le bus de réseau de données en série pour les tracteurs et matériels agricoles et forestiers. Dans le secteur agricole, on l'appelle simplement ISObus. L'ISObus est basé sur le protocole Society of Automotive (SAE) J1939, qui inclut le bus CAN (Control Area Network) et a été optimisé pour les applications agricoles. L'ISObus est activement promu par l'Agricultural Industry Electronics Foundation, qui s'emploie à coordonner des tests de certification améliorés pour la norme ISO 11783.

Avant ISObus, les agriculteurs disposaient de tracteurs équipés de systèmes de contrôle propriétaires qui limitaient la flexibilité, les performances et l'interopérabilité. L'ISObus inclut des connecteurs, des protocoles de communication et des directives opérationnelles normalisés et permet le développement de systèmes de capteurs et de contrôle interconnectés de différents fabricants (Figure 1). L'ISObus prend également en charge l'électrification des outils de tracteurs, y compris les prises de mouvement mécaniques à commande électrique et les connecteurs haute tension répertoriés jusqu'à 700 volts (V) et 100 kilowatts (kW) pour alimenter les outils à commande électrique.

Figure 1 : L'ISObus peut permettre l'intégration de capteurs et d'outils de différents fabricants dans un système plug-and-play. (Source de l'image : Armin Weigel/dpa. Photo par Armin Weigel/picture alliance via Getty Images)

L'ISObus évolue pour développer un système de gestion des outils de tracteur TIM (Tractor Implement Management). Comme prévu, la version avancée de l'ISObus permettra aux outils de fournir un retour d'informations au tracteur, contribuant ainsi à l'optimisation du système combiné tracteur/outil. Elle permettra également d'augmenter le niveau d'intégration des capteurs sur les outils prenant en charge l'agriculture de précision. Le tracteur fournira la détection d'emplacement, et le système combiné recueillera en permanence des données sur l'état du sol et des cultures. Grâce à des informations plus détaillées, les rendements et la durabilité peuvent être améliorés.

Tracteurs électriques, mises à niveau et tracteurs autonomes

Outre le développement continu de l'ISObus, l'électrification des tracteurs sera importante pour le déploiement futur des véhicules autonomes et une plus grande durabilité agricole. La réduction des émissions est un élément essentiel. Un quart des émissions de gaz à effet de serre dans le monde provient de l'agriculture et des activités liées à l'agriculture, et un tracteur équivaut en émissions à 14 voitures.¹

Les tracteurs électriques commencent à faire leur apparition. En plus de réduire les émissions, les tracteurs électriques peuvent contribuer à réduire considérablement les coûts de carburant. Les tracteurs électriques sont actuellement limités à des modèles plus petits, car les grands tracteurs électriques haute puissance requièrent des blocs-batteries plus grands que la taille du tracteur conventionnel qu'ils remplacent. Les gros tracteurs électriques pèsent également plus lourd, ce qui entraîne une compaction accrue du sol, ce qui n'est pas souhaitable. Enfin, les temps de charge des grands blocs-batteries sont trop longs pour être pratiques dans une exploitation agricole. Des tracteurs électriques plus petits, équipés de moteurs de 25 à 70 chevaux (CV), soit environ 18,6 à 52 kW, et de petits blocs-batteries, sont déjà en cours d'essai. L'électrification des tracteurs ne se limite pas au groupe motopropulseur. Il s'agit également de remplacer l'hydraulique pour l'alimentation et la commande des outils de tracteurs (Figure 2).

Figure 2 : De petits tracteurs électriques équipés de moteurs de 25 à 70 CV sont testés et prêts à être déployés. (Source de l'image : photo par brizmaker via Getty Images)

Pour les tracteurs plus grands, des kits de mises à niveau hybrides sont disponibles. Par exemple, une entreprise propose un kit avec un générateur de 250 kW qui peut être fixé au moteur à combustion interne existant du tracteur à la place de la pompe hydraulique. Le kit inclut également quatre moteurs électriques pour remplacer le système d'entraînement hydraulique et une transmission électrique pour alimenter les outils existants. En remplaçant les systèmes hydrauliques, le kit de mise à niveau réduit les coûts de carburant et de maintenance et augmente la disponibilité et la fiabilité du tracteur électrique hybride.

À l'instar du déploiement des automobiles et camions autonomes, celui des tracteurs autonomes est confronté à un avenir indéterminé. Par exemple, la réglementation actuelle en Californie exige la présence d'un opérateur aux commandes du véhicule pour tous les équipements automoteurs, lorsqu'ils fonctionnent par leur propre énergie et sont en mouvement. L'autonomie complète devra attendre.

Voler au-dessus des champs

Les drones sont actuellement utilisés pour un large éventail de tâches dans l'agriculture. Les exemples incluent :

• Imagerie de la santé des plantes. Les drones ont largement remplacé l'imagerie satellitaire pour surveiller la santé des cultures. Équipés de dispositifs d'imagerie NDVI (indice de végétation par différence normalisée), les drones fournissent des images couleur détaillées qui peuvent être utilisées pour surveiller la santé des plantes. Alors que les images satellites prennent du temps à être récupérées et peuvent fournir des précisions au mètre près, les drones peuvent donner des images d'une précision millimétrique et permettre une identification très ciblée des maladies, des parasites ou d'autres problèmes en temps réel.
• Surveillance de l'état du terrain. Les drones surveillent également l'état des sols et du drainage pour des champs entiers. Cela permet de mettre en place des programmes d'arrosage plus efficaces et plus durables.
• Plantation. Les semoirs automatisés par drone sont fréquents dans l'industrie forestière, et leur utilisation est en train de s'étendre à l'agriculture en général. Les drones peuvent planter rapidement des arbres ou des graines et atteindre plus efficacement les zones inaccessibles. Par exemple, 400 000 arbres peuvent être plantés par jour par une équipe de deux opérateurs utilisant plusieurs drones.
• Applications de pulvérisation. L'utilisation de drones pour appliquer des traitements par pulvérisation d'engrais et de pesticides est une application émergente dont l'utilisation varie selon les régions (Figure 3). Par exemple, en Corée du Sud, les drones sont utilisés pour environ 30 % des pulvérisations agricoles. Au Canada, l'utilisation de drones pour la pulvérisation agricole n'est pas légale. Aux États-Unis, la pulvérisation par drone requiert l'obtention d'une licence et d'une certification, conformément aux exigences de la Federal Aviation Administration (FAA) et des départements gouvernementaux de l'agriculture, du commerce et des transports.

Figure 3 : De grands drones ont été développés et peuvent être utilisés pour appliquer des traitements par pulvérisation d'engrais et de pesticides. (Image : photo par baranozdemir via Getty Images)

La précision permet de produire plus avec moins

Avant même que les tracteurs autonomes ne deviennent réalité, les drones et l'électrification des tracteurs et des outils de tracteurs devraient favoriser l'agriculture de précision et accroître la durabilité.

Selon une étude de l'Association of [agricultural] Equipment Manufacturers (AEM), l'utilisation de l'agriculture de précision peut entraîner une augmentation de 4 % du rendement des cultures, une augmentation de 7 % de l'efficacité du placement des engrais, une réduction de 9 % de l'utilisation des herbicides et des pesticides et une réduction de 6 % de la consommation de combustibles fossiles². De plus, l'utilisation de l'eau peut être réduite de 4 % grâce à l'irrigation de précision.

Ces chiffres sont basés sur la technologie actuelle. Avec l'ajout de systèmes connectés et de l'intelligence artificielle, ces améliorations devraient être multipliées. L'ajout de l'apprentissage automatique pour la maintenance des équipements permettra de réaliser des économies supplémentaires et d'améliorer la durabilité.

Selon l'AEM, les équipements agricoles autonomes devraient permettre une amélioration incrémentielle de 24 % si l'on tient compte à la fois des économies d'intrants et des améliorations de rendement. Un facteur important de cette amélioration est l'hypothèse selon laquelle les machines autonomes seront plus légères que les équipements qu'elles remplacent, ce qui entraînera un moindre compactage et une amélioration de l'état des sols.

L'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique seront également essentiels pour développer des machines de précision optimisées pour des tâches spécifiques. Les machines dédiées à des tâches spécifiques peuvent être encore plus petites que les tracteurs à usage général. Par exemple, des machines sont en cours de développement pour la récolte des cultures où la vision artificielle, un toucher délicat et une haute dextérité sont requis.

Le désherbage est un autre domaine où l'on s'attend à ce que les machines IA et ML spécifiques à une tâche apportent une contribution importante. Le désherbage est difficile, demande beaucoup de travail et, s'il n'est pas correctement effectué, il contribue à l'augmentation de la consommation d'eau et à l'épuisement des nutriments du sol. La rotation des cultures est une solution partielle, mais elle ne peut pas éliminer le besoin d'herbicides ou de désherbage manuel. Des robots de désherbage qui combinent la vision artificielle avec l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique sont en cours de test. Ces petites machines minimisent également le compactage des sols (Figure 4).

Figure 4 : Exemple de robots de récolte autonomes combinant la vision artificielle avec l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique. (Source de l'image : photo par onurdongel via Getty Images)

OS agricole et flottes d'équipements autonomes

L'industrie agricole envisage un avenir où des fermes entièrement autonomes seront contrôlées par un système d'exploitation (OS) sophistiqué capable de gérer des flottes mixtes, composées à la fois d'équipements agricoles autonomes et standard, de machines terrestres et de drones, afin de maximiser la productivité et la durabilité (Figure 5). Ces flottes d'équipements agricoles seront exploitées de manière coordonnée afin de contrôler les dépenses d'investissement, de minimiser les besoins en main-d'œuvre et de fournir les mégadonnées (big data) nécessaires à l'exécution autonome et à l'agriculture de précision. En outre, le système d'exploitation agricole du futur sera normalisé et optimisé pour prendre en charge une gamme diversifiée d'équipements de nombreux fournisseurs. L'adoption d'ISObus n'est que la première étape vers une approche open-source et normalisée de l'automatisation agricole.

Figure 5 : Des essaims de machines agricoles autonomes coordonnées au sol et en vol permettront d'atteindre des niveaux de durabilité plus élevés. (Source de l'image : illustration par Scharfsinn86 via Getty Images)

Les autres avantages attendus de l'OS agricole proposé sont la réduction des émissions de CO2, la diminution de la consommation de carburant et l'optimisation de la charge et de la gestion des batteries. L'analyse des mégadonnées jouera également un rôle important dans l'avenir de l'agriculture. De grandes quantités de données en temps réel provenant directement du champ seront utilisées pour entraîner en continu les algorithmes IA et ML nécessaires à la prise de décision, au contrôle et à la planification opérationnelle afin d'optimiser l'agriculture de précision.

Résumé

Le développement des véhicules agricoles autonomes et de l'agriculture de précision durable n'en est encore qu'à ses débuts. L'industrie s'est engagée sur cette voie avec ISObus. La prochaine génération d'ISObus permettra une interopérabilité accrue et contribuera à la création de flottes plus complexes et interconnectées d'équipements agricoles. L'objectif est de développer un système d'exploitation agricole capable de prendre en charge ces flottes d'équipements agricoles, de les combiner avec des données massives de capteurs en temps réel à l'aide d'algorithmes d'intelligence artificielle et d'apprentissage automatique, et de les déployer comme des formations de machines terrestres et volantes coordonnées générant de hauts niveaux de durabilité et de productivité.

1. Autonomous Tractors with Robot Brains Are Coming to Take Over the Farm, Autoweek
2. The Environmental Benefits of Precision Agriculture Quantified, AEM