Un robot intelligent équipé d'une caméra industrielle uEye+ met fin aux herbicides

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.

Application

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.

Rosie en action : l'objectif est de surveiller à long terme les plantes
Rosie en action : l'objectif est de surveiller à long terme les plantes

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.

Pendant que le robot se déplace dans les champs, la caméra enregistre les plants de maïs depuis le haut.
Pendant que le robot se déplace dans les champs, la caméra enregistre les plants de maïs depuis le haut.

Caméra

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.

L'équipe Rowesys a choisi un uEye+ de type GV-5040FA-C-HQ.

Nous sommes très satisfaits de la caméra que nous avons choisie. Nos exigences élevées ont été pleinement satisfaites et nous avons pu collecter de nombreuses données au cours des derniers mois, que nous utiliserons pour perfectionner notre logiciel.

— Timo Schönegg de l'EPF de Zürich - projet de mise au point Rowesys —

Ce modèle fait partie de la famille uEye FA, ce qui le rend particulièrement résistant et parfaitement adapté aux environnements exigeants grâce à sa classe de protection IP65/67. Les fonctions internes à la caméra comme le prétraitement des pixels, LUT ou gamma, réduisent au minimum la puissance de calcul nécessaire.

Les données d'image fournissent des informations pour l'estimation du rendement ou la détection précoce des maladies de plantes, par exemple.
Les données d'image fournissent des informations pour l'estimation du rendement ou la détection précoce des maladies de plantes, par exemple.

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.

Perspectives

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 !

GigE uEye FA : puissante et robuste

Rowesys - Robotic Weeding System