Les systèmes de guidage en agriculture Fiche descriptive
L agriculture française se tourne de plus en plus vers une agriculture de précision pour répondre aux contraintes économiques et environnementales qui lui sont imposées. Cette forme d agriculture fait appel à différentes technologies (géolocalisation, laser, caméra) répondant aux objectifs d optimisation des intrants, de réduction de temps de travail et de consommation d énergie. Seulement, ces technologies sont multiples et complexes. Cette fiche technique est un état des lieux des différentes technologies issues de l agriculture de précision, afin de permettre aux agriculteurs de s y retrouver dans les systèmes proposés. Systèmes utilisant des satellites > Comment ça marche? u GPS, GLONASS et GALILEO La géolocalisation est possible par différents réseaux comme le GPS (américain), le système GLONASS (russe) et GALILEO (européen), qui guident le chauffeur par une console embarquée dans le tracteur. Le réseau de base GPS, gratuit, permet selon le niveau de technologie d obtenir une précision de +/- 5 +/- à 50 m par au minimum 4 satellites, ce qui suffit amplement pour définir sur quelle route se déplace une voiture, mais est inutilisable pour des travaux agricoles. signaux GPS L erreur de positionnement provient en grande partie de problèmes de transmission du signal, qui est altéré au moment de traverser les différentes couches de l atmosphère et subi des perturbations. En vue d assurer une plus grande précision pour du guidage agricole, deux moyens sont utilisés pour corriger les signaux satellites : le dgps et le RTK. GPS u dgps Le dgps, ou GPS différentiel, permet d apporter une correction en définissant la direction et l amplitude du décalage. Des stations de référence terrestres (a), espacées de plusieurs centaines de kilomètres, envoient via un satellite géostationnaire (b) une correction du signal GPS à une antenne réceptrice (c) placée sur le tracteur. b La correction est apportée en temps réel au récepteur terrestre qui utilise le signal standard ainsi que la correction. Il existe différentes précisions de corrections et différents fournisseurs (cf. tableau 1). c dgps a Signaux GPS Message de correction Précision 15-50 cm 7-15 cm 5-10 cm Correction différentielle (dgps) Egnos SF1 OmniSTAR VBS OmniSTAR XP OmniSTAR HP SF2 Propriétaire du dgps UE John Deere Omnistar Omnistar Omnistar John Deere Mode de transmission de la correction Transmission sous forme de fréquences (ondes radio) Coût abonnement Gratuit Gratuit 82 /mois à 275 /mois environ 1200 /an environ 1800 /an 430 /mois Marque des récepteurs Tous John Deere La majorité La majorité La majorité John Deere Avantages Inconvénients Non limité en distance. Large fourchette de prix, voire gratuit. Adapté à tous les systèmes de guidage et applications. Accepté par tous types d antennes. Impossible de réaliser plusieurs travaux en même temps avec un seul abonnement. Sensible à la topographie (perte de signal en bordure de forêt). Le niveau de précision est variable et dépend des conditions satellaires. Précision relative. Positionnement soumis à la dérive des satellites. Tableau 1 : correction différentielle dgps via les satellites de communication. Sources : ALPA et CRAL. 2
u RTK Le RTK (GPS cinématique en temps réel) permet d apporter une correction encore plus précise (+/- 2,5 cm) en transmettant une correction de signal par des stations de références situées à proximité de l utilisateur (5 à 70 km). La correction peut être apportée sous deux formes : par transmission radio ou téléphonie mobile (cf. tableau 2). Dans le cas de la transmission radio, les satellites positionnent le tracteur dans la parcelle et la base RTK qui sont distants l un de l autre de 10 km maximum. La station RTK (a) calcule la différence entre sa position réelle et celle calculée par les satellites. Cette information est envoyée au tracteur par radio (b) et le guidage de l engin est corrigé en conséquence. La contrainte principale de ce système est qu il ne doit pas avoir d obstacle entre l antenne d autoguidage du tracteur et la base RTK. Pour la transmission par téléphonie mobile, le système s appuie sur un réseau de base RTK. Les positions de ces bases relevées par satellites sont envoyées à un serveur informatique (c). Lorsque le tracteur se connecte, sa position est envoyée au même serveur automatique. Ce serveur identifie alors les bases c RTK entourant le tracteur, calcule la correction, puis la renvoie au tracteur. Le RTK se différencie du dgps par l absence de dérive du signal, permettant d avoir une précision constante et de revenir exactement au même endroit pour des opérations culturales successives. Il permet également d obtenir une précision quasi instantanée alors qu une correction dgps sous abonnement impose un délai d acquisition. Le dispositif RTK ne semble ainsi se justifier que pour des exploitations avec des cultures spécialisées à haute valeur ajoutée ou sur de très grandes surfaces. Signaux GPS b RTK Correction par onde a Correction internet Précision 2-5 cm Dispositif de correction Balise RTK "propriétaire" Maillage de balise RTK Réseau RTK internet Propriétaire du RTK Agriculteur Groupe d'agriculteurs ou autres Sat-info Géodata Téria Mode de transmission de la correction Ondes radio Ondes radio Internet et mobile téléphone (GPRS) Rayon de transmission du signal 5-10 km 10 km/base (donc fonction du réseau) Presque partout, sauf zone blanche Coût abonnement Aucun Fonction du réseau 1 590 /an - 240 /an Coût balise RTK 10 000-15 000 8 000-15 000 0 à 6 000 (répétiteur ou base virtuelle) Autres frais Entretien et radio 2 000 Entretien et radio 2 000 Achat modem (500 ) ou téléphone (40 /mois) Marque des récepteurs Marque de la balise (ou demander un format RTCM) La majorité (Trimble, Claas, Isagri) sauf John Deere Avantages Pas d abonnement. Déplacement de la balise. Possibilité de vendre le signal. Travail simultané possible. Pas de temps d initialisation. Regroupement pour augmenter la zone de correction. Travail simultané possible. Pas de temps d initialisation. Réseau existant, peu sensible à la topographie. Non limité en distance. Entretien à la charge de l entreprise. Précision absolue. Inconvénients Sensible à la topographie, répétiteur à rajouter si obstacles. Marque de matériel sur tracteur identique à celle de la base (systèmes non compatibles). Limitée en distance. Entretien à la charge. Coût. Pas de travail simultané avec un seul abonnement. Temps d initialisation long. Le GPRS n est pas prioritaire sur la Télécom. Frais répétiteur à ajouter si obstacles. Abonnement. Tableau 2 : synthèse des corrections RTK. Sources : ALPA et CRAL. 3
> APPLICATION PREMIÈRE : LE GUIDAGE Principe : une console embarquée donne une orientation de conduite au chauffeur (assistance au guidage) ou guide directement l engin agricole (autoguidage). Mode de guidage : Le système de guidage peut travailler en ligne et/ou en courbe, et gérer les tracés de passages de plusieurs façons différentes. Par exemple, il peut redresser les passages après avoir évité un obstacle (mode identique), ou se contenter de suivre le passage précédent (mode adapté). Les systèmes de guidage : Figure 1 : les différents modes de guidage. Source : www.geo-pro.fr. L assistance au guidage : une consigne est donnée par l appareil au chauffeur, via une console embarquée. Par un signal lumineux (diodes) ou un écran, le chauffeur agit lui-même sur la direction du tracteur. Ce système permet d atteindre une précision de 20-30 cm. Une correction RTK du signal est inutile avec l assistance au guidage, car le temps de réaction du chauffeur est trop long pour une précision inférieure à 10 cm. Prix de la barre de guidage : de 1 800 à 5 000 (hors coût de correction du signal). L autoguidage : la consigne est donnée directement au tracteur. Le chauffeur n intervient qu en bout de champ pour les manœuvres. Ce système permet d atteindre une précision entre 2 et 15 cm, en fonction du système de correction (dgps ou RTK). Il existe 2 modes d autoguidage : un moteur électrique placé au volant : système déplaçable et universel. Prix : 7 000 à 15 000 ; par action directe sur le circuit hydraulique de direction : système plus précis (2-5 cm) mais fixé au tracteur. Prix : 13 000 à 15 000. Choisir son système de guidage : Pour choisir son système de guidage par GPS, il est indispensable de : déterminer les applications que l on souhaite réaliser, qui définissent la précision à atteindre. Un épandage de fumier requière par exemple moins de précision qu un binage ; penser à l évolution future de l activité (évolution du nombre d automoteurs, de l utilisation, des fonctions complémentaires) pour ne pas avoir à investir dans un nouveau matériel ; évaluer la robustesse de l équipement car l environnement est poussiéreux et corrosif, et vérifier la lisibilité de l écran ; vérifier les compatibilités avec les signaux GPS mais aussi Galileo et Glonass. Le tableau ci-dessous récapitule la précision la plus adaptée en fonction des travaux à réaliser. Précision 20 à 30 cm 7 à 15 cm 5 à 15 cm 2 à 5 cm Système de correction dgps dgps dgps RTK Type de correction EGNOS SF1 OmniSTAR VBS OmniSTAR XP OmniSTAR HP SF2 Balise ou réseau Système de guidage recommandé Guidage assisté Autoguidage Autoguidage Autoguidage Epandage de fumier Epandage de lisier Epandage d engrais Pulvérisation Déchaumage Fauche d'herbe Semis de céréales Moisson Semis monograine Binage Conseillé Déconseillé économiquement Déconseillé techniquement Fortement conseillé Tableau 3 : aptitude des systèmes de guidage aux travaux agricoles. Source : FRCuma Ouest. 4
Intérêts du guidage : limite les recouvrements (voir tableau 4) et donc réduit la quantité de phytosanitaire, d engrais, de carburant. Des économies sont donc réalisées sur l ensemble des postes; diminue le temps de travail et les charges (intrants, mécanisation); limite les manques et optimise le potentiel de rendement; diminue le tassement des sols et l écrasement des pousses; augmente le confort (suppression du jalonnage, concentration sur le travail de l outil et non la conduite); possibilité de travailler dans de moins bonnes conditions (nuit, brouillard, poussière); supprime la pénibilité des techniques demandant de la précision (binage ). Largeur moyenne de recouvrement entre 2 passages Erreur de surface Travail du sol 60 cm 13% Récolte 35 cm 5% Epandage 20 à 80 cm 2 à 3% Semis 10 cm 2% Tableau 4 : erreur de surface moyenne avec un guidage manuel. Source : Arvalis. Quelle rentabilité? Aujourd hui, il est difficile d évaluer l intérêt économique de ces systèmes par rapport aux investissements qui restent conséquents. Quelques résultats d études sont présentés dans le tableau suivant. Localisation Barrois Beauce irriguée Picardie Champagne SAU 300 ha 150 ha 180 ha 180 ha Assolement Colza, Blé tendre Orge d hiver Orge printemps Pomme de terre, Maïs Blé tendre, Blé dur Orge printemps, Colza Colza, Betterave Pomme de terre Blé tendre, Orge printemps Betterave, Blé tendre Orge d hiver, Orge printemps Colza, Pois Gain par guidage 10 /ha/an 16 /ha/an 23 /ha/an 13 /ha/an Matériel Abonnement Temps de retour sur investissement (années) DGPS 10 000 420 /an 4 5 3 5 8 000 900 /an 4 5 3 6 RTK internet 9 000 1 000 /an 5 6 3 7 15 000 1 000 /an 8 11 5 11 RTK maillage 10 500 500 /an 4 6 3 6 16 500 500 /an 7 9 5 9 RTK propriétaire 19 000 650 /an 9 12 6 12 25 000 650 /an 11 15 8 16 Tableau 5 : calcul de rentabilité sur 4 exploitations de grandes cultures conventionnelles. Source : Arvalis. > LA COUPURE AUTOMATIQUE DE TRONCONS Principe : cette application s utilise sur pulvérisateur, épandeur centrifuge d engrais et semoir. Le principe est de fermer ou d ouvrir les tronçons automatiquement en fonction des zones à traiter ou à semer, évitant ainsi les recouvrements. Prix : entre 2 000 et 4 000 en plus du coût du guidage GPS (CA de Lorraine). Rentabilité : elle est fonction de la géométrie et de la surface de la parcelle. Plus la surface est petite et de géométrie complexe, plus il y a économie d intrants. Inversement, plus le rapport longueur/largeur de la parcelle est élevé (parcelle rectangulaire), plus le nombre de demi-tours sera faible et les économies potentielles en produits phytosanitaires limitées. 5
Systèmes n utilisant pas de satellites (page 8) : Principes système de reprise de marque Le semoir est équipé d une roue de traçage placée dans l axe du semoir. Une trace profonde de 20 cm est réalisée, qui servira de référence de guidage pour la bineuse. La bineuse est équipée d un système de roue palpeuse (ou coutre) qui va se loger dans la trace de guidage réalisée lors du semis. Le décalage de la bineuse par rapport à la trace provoque un déplacement de la roue palpeuse. Ces mouvements sont analysés par des capteurs qui commandent le système électro-hydraulique de la bineuse et corrigent la trajectoire en réalignant alors le bâti par l actionnement de vérins. Si un deuxième passage est envisagé, la trace de la roue peut être réimprimée à l arrière de la bineuse. système de palpeurs de rangs Le principe du système repose sur la palpation des rangs par deux tiges palpeuses métalliques. Si la bineuse est décalée par rapport aux rangs, deux capteurs détectent le décalage sur les tiges palpeuses et commandent la correction de position de la bineuse au moyen d un dispositif électro-hydraulique. Ce dispositif équipe une interface à placer entre le tracteur et la bineuse. Il permet de convertir des bineuses existantes au guidage automatique. Il est constitué d un bâti fixe attelé au tracteur et d un attelage destiné à la bineuse. Le bâti et l attelage sont articulés sur un axe vertical. La correction consiste à décaler angulairement la bineuse qui se remet en ligne en déplaçant transversalement les bras d attelage du tracteur. système à capteurs photo électriques Ce système est constitué de deux capteurs photo-électriques placés de chaque coté du rang. Ces capteurs détectent en continu la position du rang (grâce à la température) et commandent l action d un vérin qui repositionne la bineuse sur la bonne trajectoire. Ce dispositif se place entre le tracteur et la bineuse. Il est donc possible de convertir des bineuses existantes au guidage automatique. Il est constitué d un bâti fixe attelé au tracteur et ancré sur le sol grâce à des roues à disques, et d un bâti mobile formant une glissière via un vérin hydraulique autorisant un débattement de la bineuse de 20 cm de part et d autre du cap initial. système à ultrasons Ce système se base sur une reconnaissance des rangs par détection des volumes. La détection des rangs est réalisée par des capteurs à ultrasons positionnés sur la bineuse qui déterminent une différence de hauteur (entre le sol et les plants). Les informations sont gérées par un boîtier électronique qui actionne un pilotage du tracteur grâce à un moteur électrique fixé sur le volant. système à reconnaissance vidéo Le rang est visionné par une ou deux caméras, placées devant la bineuse et couplées à un logiciel d analyse d images, qui détectent les niveaux de couleurs (contraste) et identifient ainsi la plante cultivée. Les informations sont envoyées à un boîtier électronique qui convertit les données d images reçues en une ligne représentant l alignement qu il compare à une ligne théorique de guidage, en se basant sur les renseignements préalables d écartement et de type de culture. Lorsqu il y a écart entre la ligne de culture et la ligne théorique, le boîtier commande un déplacement latéral de la bineuse par l intermédiaire d une électrovanne qui actionne les vérins hydrauliques. Lasers Ils mesurent une différence de hauteur et envoient des données au système de direction de l automoteur. Ils peuvent être utilisés pour guider la moissonneuse batteuse (le laser est d un seul côté) ou pour diriger un outil (dans ce cas, il est utilisé avec des autres capteurs). Caméras 3D Une Caméra 3D placée à l avant du tracteur analyse le relief du sol et les couleurs. Elle guide le tracteur entre les rangs de manière automatique. La caméra peut être facilement retirée pour être montée sur un autre tracteur. Le tracteur doit pour cela être équipé d une direction hydraulique correspondante. Ce système peut être utilisé sur les rangs (désherbage mécanique ), les buttes (buttage central précis, fraisage et broyage ), les andains (localiser les andains d herbe, de foin et de paille ) et les roues de traitement (reconnaissance des passages de traitement..). 6 Tableau 6 : caractéristiques et fonctionnement d outils n utilisant pas de satellites. Sources : Demeuré P., Cuma de l Ouest.
Précision Avantages Inconvénients Coûts Constructeurs +/- 5 cm - Système simple et éprouvé - Indépendant du stade de la culture - Vitesse de travail jusqu à 15 km/h - Mauvaise qualité du marquage en sol meuble et en cas de fortes précipitations - Le passage de la herse étrille ou de la houe rotative nécessite de relever les dents ou les étoiles au niveau de la trace 7 000 environ Agronomic, Ribouleau, Kongskilde +/- 4 à 5 cm - Ne nécessite pas de traçage préalable au semis - Excellente prise en charge des semis en courbe - Vitesse de travail jusqu à 15 km/h - Peut intervenir en complément d un guidage caméra lorsque la culture est trop développée pour visualiser l inter-rang - Nécessite des plants développés (ex : pas avant le stade 6 feuilles du maïs) ou des tiges rigides - Trajectoire très légèrement sinusoïdale avec certains systèmes - Sensible aux manques sur le rang 6 000 environ pour l interface Carré, Buffalo distribué par Agriser, Agronomic +/- 2 à 4 cm - Grande précision dès le stade 3 feuilles - Ne nécessite pas de traçage préalable au semis - Interface adaptable aux autres bineuses - Pas de marquage au sol préalable - Nécessite des plants développés - Sensible aux manques sur le rang - Réglage sensible - Ne distingue pas les grandes mauvaises herbes du maïs aux stades avancés (chénopodes) - Vitesse de travail limitée - Sensible à la poussière de 5 400 à 7 000 Précizo, Reichhardt +/- 3 cm - Peut fonctionner sur traces (en creux ou buttage) ou sur plante à port dressé - Système simple, peu onéreux - Interface adaptable à d autres bineuses - Pas de marquage au sol préalable - Nécessite des plants développés - Sensible aux manques sur le rang - Sensible à présence de mottes - Reichhardt +/- 1,5 cm - Grande précision (+/-1.5 cm) - Pas de marquage au sol préalable - Efficace (-6 % pieds à 12 km/h) - Vitesse de travail jusqu à 15 km/h - Importance de la mise en route (réglages, adaptation tracteur-outil) - Détection des rangs difficiles en présence de nombreuses adventices - Impossible sur culture très développée (exemple maïs > 7 feuilles) - Luminosité (poussières, nuit, ) - Sensible aux manques sur le rang 13 000 environ pour l interface Garford (machine toute équipée), Ecodan (système adaptable vendu par Agronomic), Kress (système adaptable vendu par l Atelier de Val de Saône), Carré - - Plus grande précision de travail et limite les recouvrements - Permet de terminer la moisson de nuit - Difficulté de réglage - Efficacité limitée sur des cultures basses ou couchées comme certains pois 1 700 environ /laser Claas, New Holland, Case - - Plus grande précision de travail - Difficulté de réglage - Efficacité limitée sur des cultures basses ou couchées comme certains pois 12 000 à 15 000 environ Innov GPS, Garford, Ecodan, Kress, Claas, Carré, Agronomic 7
> LA MODULATION INTRA-PARCELLAIRE Principe : cette application vise à moduler les apports d intrants en fonction de l hétérogénéité parcellaire (sol ou plante) : mettre la bonne dose (engrais, traitements, fumures) au bon endroit. La modulation se fait à partir de cartes de préconisation ou en temps réel avec des capteurs embarqués sur le tracteur. Les cartes de préconisations sont obtenues à partir de cartes de sol (analyse sol, résistivité ), de biomasse (rendement, colorimétrie de la végétation, densité pieds) ou de la compilation de plusieurs cartes. A partir de la carte de préconisation, le GPS va commander l outil (pulvé, épandeur) pour varier automatiquement la dose en fonction de la zone travaillée. Prix : pour obtenir des cartes de préconisation des parcelles, l investissement est de 10 à 90 /ha. - réalisation d une carte biomasse : Farmstar : 10 /ha - réalisation d une carte de résistivité des sols : 90 /ha Pour réaliser de la modulation en temps réel, l investissement s élève à 20 000 pour l acquisition de capteurs embarqués. Systèmes n utilisant pas de satellites Qu apportent ces outils en comparaison des systèmes satellitaires? Les outils n utilisant pas de satellite sont généralement utilisés pour des applications de guidage spécifique, et se basent plus sur l état de structure du sol et du développement de la culture. Parallèlement, ces outils permettent d atteindre une précision de travail intéressante pour des exploitations ayant fait le choix de ne pas s équiper de matériel type RTK, par exemple pour un binage de maïs dont le semis n aurait pas été réalisé par autoguidage. Le tableau en page 6 expose les différents matériels utilisables ainsi que leurs applications, leur coût, leurs avantages et leurs inconvénients. En conclusion L utilisation des satellites favorise une agriculture de précision (réduction des recouvrements et des manques) Le guidage par satellites permet de nombreuses applications du semis jusqu à la récolte La précision peut atteindre 2 cm avec une correction RTK Le choix de la précision (dgps ou RTK) et du système de guidage (assisté ou autoguidé) est fonction des applications réalisées (épandage fumier vs binage) et à réaliser L autoguidage avec correction RTK est actuellement peu rentable, mais offre un confort et un gain de temps indéniables à l agriculteur Il est possible de biner avec un autoguidage RTK sans matériel spécifique sur la bineuse mais il est également possible de biner précisèment sans avoir recouru aux satellites Bibliographie : Demeuré P. et al. (Chambre d agriculture de Bretagne), avril 2012, «Biner au plus prêt du rang», TeRRa, n 319-6 avril 2012 Association Lorraine pour la Promotion en Agriculture (ALPA) et la Chambre Régionale d Agriculture de Lorraine (CRAL), mars 2011, «Et si j optais pour l agriculture de précision?» Fédérations de Cuma de l Ouest, mai 2009, «Les systèmes de guidage sur les bineuses autopilotées.» Fédérations de Cuma de l Ouest, septembre 2008, «Bien choisir votre système de guidage par satellites.» Chambre d agriculture de région Nord-Pas de Calais, «Le guidage de précision se généralise en agriculture», Syndicat Agricole du 18 octobre 2012 ARVALIS - Institut du Végétal, février 2012, «Grâce au GPS, il est possible de réduire les quantités apportées à la parcelle» Nb : les tarifs annoncés ne sont fournis qu à titre indicatif. Pour les derniers tarifs en vigueur, contacter les constructeurs. Pour toute question, contactez vos conseillers de la Chambre d agriculture de région : Alain Lecat - 03 20 88 67 54 - alain.lecat@agriculture-npdc.fr Robin Guilhou - 03 20 88 67 43 - robin.guilhou@agriculture-npdc.fr Conception et réalisation : Service communication de la Chambre d agriculture de région du Nord-Pas de Calais - CF - octobre 2013 - imprimé sur papier recyclé