Activité STI2D

Robot "AgriBot" - Désherbage Autonome

Thème : Agriculture de Précision & Robotique

Durée : 1h30

1. Mise en situation

L'exploitation agricole "BioFutur" souhaite supprimer l'utilisation de désherbants chimiques (comme le glyphosate) sur ses cultures maraîchères. Le désherbage manuel étant trop coûteux et pénible, l'exploitation envisage l'acquisition du robot autonome AgriBot.

Ce robot solaire parcourt les rangs de culture, détecte les adventices (mauvaises herbes) par caméra et les arrache mécaniquement. L'objectif de l'étude est de vérifier si le robot est capable de traiter l'ensemble des parcelles dans les temps impartis.

2. Données Techniques (Dossier Technique)

📊 Paramètres de Travail

Vitesse d'avancement moyenne : V_C = 3,6 km/h.
Largeur de travail (Envergure) : L_m = 1,5 mètre.
Densité moyenne des adventices à retirer : σ_d = 500 kg/hectare.

⚙️ Contraintes de l'Exploitation

Autonomie énergétique journalière (solaire + batterie) : 10 heures par jour.
Capacité du bac de stockage des déchets verts : 300 kg.
Surface totale de l'exploitation : 60 hectares.
Durée de la période de désherbage critique : 12 jours.

📐 Formulaire & Conversion

Surface traitée par heure : S_R = L_m × V_C.
Conversion de surface : 1 hectare (ha) = 10 000 m² = 0,01 km².
Attention aux unités : Si V est en km/h et L en m, convertir pour obtenir des m²/h ou des hectares/h.

3. Analyse et Développement Durable

Question 1.1 (Enjeux DD)

En vous appuyant sur la mise en situation, citer un argument pour chaque pilier du développement durable justifiant l'achat de l'AgriBot.

Pistes de correction :

Écologique : Suppression des produits phytosanitaires chimiques (protection des sols et nappes phréatiques).
Économique : Réduction des coûts de main d'œuvre pour le désherbage manuel et d'achat de produits chimiques.
Social : Réduction de la pénibilité du travail (tâches répétitives) et diminution de l'exposition des agriculteurs aux produits toxiques.

Question 2.1 (Analyse fonctionnelle)

Pour fonctionner de manière autonome, le robot doit remplir plusieurs fonctions techniques. Citer 4 sous-systèmes ou capteurs essentiels présents sur ce type de robot.

Correction :

Les éléments techniques classiques :

Système de localisation (GPS RTK) pour le guidage précis.
Caméra / Vision par ordinateur pour distinguer cultures et mauvaises herbes.
Bras robotisés ou outils mécaniques (bines) pour l'arrachage.
Panneaux photovoltaïques et batteries pour l'autonomie énergétique.

4. Dimensionnement de la Performance

L'objectif est de vérifier la productivité horaire du robot.

Question 2.3 (Calculs de surface)

a) Convertir la vitesse V_C en m/h (mètres par heure).

b) Calculer la surface S_R (en m²/h) traitée par le robot en une heure.

c) Convertir cette surface en hectares par heure (ha/h).

Correction détaillée :

a) Conversion Vitesse :
V_C = 3,6 km/h = 3600 m/h.

b) Surface horaire (m²) :
S_R = L_m × V_C = 1,5 m × 3600 m/h = 5400 m²/h.

c) Conversion Hectares :
1 ha = 10 000 m². Donc S_R = 5400 / 10 000 = 0,54 ha/h.

Question 2.4 (Masse et Stockage)

La densité des adventices est de 500 kg/ha.

a) Calculer la masse horaire M_h de déchets verts collectés.

b) Sachant que le bac de stockage fait 300 kg, combien de fois par heure le robot devra-t-il être vidé (ou vider son bac) ? Cela vous semble-t-il une contrainte forte ?

Correction :

a) Masse horaire :
M_h = 0,54 ha/h × 500 kg/ha = 270 kg/h.

b) Fréquence de vidage :
Le bac fait 300 kg. Comme 270 < 300, le robot tient un peu plus d'une heure (environ 1h06 min) avant d'être plein.
Analyse : C'est une contrainte forte. Il faudra prévoir une vidange automatique ou un point de décharge à chaque bout de champ pour ne pas perdre de temps.

5. Validation du Cahier des Charges

Question 2.5 (Objectif Global)

L'exploitation doit traiter ses 60 hectares en 12 jours maximum pour que le désherbage soit efficace.

Sachant que le robot travaille 10 heures par jour, l'AgriBot seul est-il suffisant pour respecter ce délai ? Justifier par le calcul.

Correction :

Méthode 1 : Par la surface journalière
Surface par jour = 0,54 ha/h × 10 h = 5,4 ha/jour.
Surface totale en 12 jours = 5,4 × 12 = 64,8 hectares.
64,8 ha > 60 ha. Le robot est suffisant.

Méthode 2 : Par le temps nécessaire
Temps total nécessaire = 60 ha / 0,54 ha/h ≈ 111,1 heures.
Temps disponible = 12 jours × 10 h = 120 heures.
111 h < 120 h. L'objectif est atteint (avec une petite marge de sécurité).

6. Analyse Énergétique (Lecture Graphique)

Le graphique ci-dessous représente la puissance solaire produite par les panneaux du robot (courbe orange) et sa consommation électrique (ligne bleue) au cours d'une journée type.

Axe X : Temps (heures) | Axe Y : Puissance (Watts)

Question 3.1 : Puissance Maximale

Relever graphiquement la valeur approximative de la puissance solaire maximale produite par le robot (pic de la courbe orange). À quelle heure ce pic est-il atteint ?

Correction :

Le pic de la courbe orange se situe au-dessus de la ligne 600W, environ vers 700 Watts.

Ce maximum est atteint peu après midi, vers 13h00 (Zénith solaire).

Question 3.2 : Analyse des zones

Le robot consomme 400 W constants lorsqu'il travaille (ligne bleue en pointillés).

a) Identifier la plage horaire durant laquelle le robot peut fonctionner directement grâce à l'énergie solaire (Production > Consommation).

b) Que se passe-t-il pour la batterie en début de matinée (entre 8h et 10h) et en fin d'après-midi ?

Correction :

a) Autonomie solaire directe : La courbe orange passe au-dessus de la ligne bleue (400W) environ entre 10h et 16h.

b) Fonctionnement hybride : Entre 8h et 10h (et après 16h), la production solaire est insuffisante (< 400W). Le robot doit donc puiser dans sa batterie pour compléter le manque d'énergie.