Bot2Karot : contrôler votre potager depuis votre smartphone

Explication de l'idée​

 

Problème

Je n'ai pas le temps de jardiner et pourtant j'aimerais avoir des légumes du jardin. Comment rendre accessible les légumes du potager aux personnes actives ou à mobilité réduite ?

Recherche

Comment automatiser le potager ? Il a fallu chercher les différents moyens de réaliser les tâches laborieuses du jardinage en préservant les semailles et la récolte (tâches gratifiantes et plaisantes). J'ai d'abord imaginé un pont roulant puis j'ai pensé que personne ne serait prêt à mettre une sorte d'usine dans son jardin. La solution idéal, un petit robot roulant muni d'un bras articulé et de différents outils. J'ai également cherché qui pourrait aimer ce type d'installation et je me suis vite rendu compte qu'un grand nombre de personnes jouent à des jeux de jardinage. Bot2Karot sera contrôler et piloter par une application smartphone !

Les plans entiers du smartjardin de Bot2Karot

Méthode

Conception du potager

J'ai modélisé l'ensemble des composants du potager. Puis j'ai réalisé des plans avant de les usiner pour le prototypage.

Prototypage

La couche (lieu de germination des plantes) et un bac (lieu de croissance) ont été réalisés pour le prototype. Le robot, son bras et le préhenseur (porte outils) ont également été fabriqués. Grâce à un petit programme, j'arrive désormais à déplacer le robot. Le binage, l'arrosage et le repiquage ont été testés.

Les chemins..un bac !

Conclusion

Automatiser un potager est donc bien possible. Bot2Karot enthousiasme mon entourage ! 

Dans la continuité, il serait possible d'automatiser un poulailler.

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Un jeune passionné d'ingénierie, d'informatique et de sciences...

Les débuts... 

Il y a un atelier chez moi. Depuis mon plus jeune âge, je bricole des petits bateaux, des arbalètes, je fais de la mécanique avec des LEGO...

Ma DeLorean à 7 ans

Par la suite, j'ai fait un petit bras articulé sous arduino  mais aussi de l'informatique. L'année dernière, je suis sorti victorieux d'un concours de création de jeux vidéos (développés sur construct 2 ) avec trois copains. Il y a deux ans, j'ai créé un moyen de protection des ruches contre les frelons asiatiques, une sorte de filtre : "Happyculteurs".

Un club

Au collège, je suis gérant et initiateur d'un club d'informatique ainsi que d'un club de robotique. C'est une expérience fort intéressante  qui me fait partager mes passions !

Photo du club :

 


Des idoles

J'aime beaucoup Théo Jansen, Akiyuki mais aussi Einstein ! J'apprécie énormément Turk et Jules Verne (qui inspireront le steampunk) : le design du robot est inspiré de leurs livres.  

Un avenir...

Je voudrais passer mon année de première aux Etats-Unis pour apprendre à bien parler Anglais mais ce n'est pas possible pour des raisons financières. Gagner ce concours pourrait me le permettre mais ce serait surtout une gloire personnelle, une reconnaissance. Cela serait formidable, incroyable !

Un enfant avant tout..

Pour finir, je m'appelle Eliott Sarrey j'ai 14 ans. J'habite à Maron, un petit village au milieu de la forêt et je suis au collège Jules Ferry de Neuves-Maisons.

 

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Comment arriver à ce que les personnes actives ou les personnes à mobilité réduite puissent avoir des légumes du jardin ?

Pour avoir des légumes bio à proximité, la solution est bien connue, le jardin ! Mais c'est du temps : il faut biner, arroser régulièrement et lorsque vous rentrez de vacances, tout est grillé ! C'est une activité globalement réservée aux personnes retraitées.

Dans mon cas personnel, avoir des légumes dans mon jardin serait un miracle. Chaque année, j'en plante, mais faute d''arrosage fréquent, les plantes meurent, faute de binage, les mauvaises herbes prospèrent ! La solution idéale serait que quelqu'un me donne un coup de main. Mais qui ? Un petit robot que, depuis mon smartphone, je pourrais commander ou pré-programmer pour qu'il réalise les tâches fastidieuses de mon potager.

 

Mais pas facile d'automatiser un jardin, les tâches sont compliquées et les attentes nombreuses.


Comment automatiser le potager ?

L'idéal serait un système capable de repiquer, biner, arroser mais aussi de faire des tests d'humidité de la terre par exemple. Il serait parfait si aucune technologie n'était apparente pour une raison de maintenance, d'esthétisme mais aussi pour la simplicité de la gestion des sources d'énergie. Un petit robot fermier muni d'un petit bras articulé et d'un porte outils serait idéal !

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Application 

Fonction :

L'application doit savoir envoyer les missions au robot, recevoir les images et informations mais aussi organiser les récoltes et avertir l'utilisateur en cas de sécheresse...etc

Pour le moment, un test a été fait avec un logiciel d'impression 3D en réseau mais le véritable programme n'a pas été réalisé.

Robot 

Bras articulé

Les moteurs seront des pas à pas pour leur précision et leur prix. Ils seront néanmoins démultipliés pour avoir un maximum de puissance tout en préservant une vitesse raisonnable. Il a fallu rechercher pour créer un réducteur cyclo, je l'ai réalisé avec simulateur :

Comment avec un unique bras gérer toutes ces fonctions ?

Le robot possédera plusieurs outils (herse, tarière, pot, arrosoir, capteur d'humidité et caméra ) qui pourront être changés via un préhenseur : un porte outil universel.

Contrôle du robot

Les ordres envoyés via l'application seront interceptés par une raspberry qui enverra les ordres plus précis à l'arduino, celle-ci munie d'un petit programme envoie ses ordres aux moteurs.

Le robot doit savoir sa position de façon précise. C'est pourquoi son programme connaîtra sa position approximative mais un détrompeur (roue sur la bordure ondulée des bacs) lui donnera une position précise.

Potager

Conception

Le potager a été long à concevoir pour sa complexité, beaucoup de réflexions (en dessins) ont été nécessaires. La ferme à été modélisée sur sketchup make, il a fallut réfléchir pour que cela soit montable, modulaire, extensible, usinable, fonctionnel (pour le robot comme pour l'utilisateur)...

Des plans à la main, eh oui ça change !

Chemin

Les chemins doivent tenir les planches des bacs, permettent au robot et aux utilisateurs de ne pas se déplacer dans la boue, s'emboîter (jardin modulaire) mais aussi être durables, être naturels ou issus de matériaux recyclés.

J'ai posé ces questions au service mortier de Saint-Gobain PAM, Ci-dessus, une photo d'une réunion.

La résine issue de matériaux recyclés et renforcée de bambou s'adapte plutôt bien. Des recherches ont été réalisées pour un bon retrait (démoulage) et une granulosité adaptée.

Besoin des plantes 

J'ai recherché quelle composition de sol serait la plus adaptée, c'est mon papy qui m'a fait connaître les jardins lasagnes. Il s'agit de plusieurs couches qui composent un sol : du carton (stop l'herbe existante), du bois (draine), de la terre (maintient les racines) et du terreau (apporte les nutriments).

Quel source d'énergie ?

La source d'énergie est capitale, l'idéale serait que l'utilisateur de Bot2Karot ne soit pas obligé de tendre un fil électrique entre sa maison et son potager.

Un arbre à vent (arbre muni d'une multitude d'éolienne ) et des panneaux solaires seraient sûrement la solution. 

L'arbre à vent produit environ 280 jours par an 3 kW avec des vents faibles (2ms) (calcul fourni par le site officiel). 

Un panneau solaire dans mon village produirait (pour un versant du hangar) 1,3 kWh (moyenne annuelle).

Serveur web

Le serveur gère les échanges de données entre l'application et la raspberry.

Diapositive

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Robot

Prototype LEGO

Un prototype  a été réalisé en LEGO pour tester la mesure de position du robot. Il s'agit d'une roulette qui envoie un signal au robot à chaque nouvel vague de la bordure des bacs. Ce procédé n'a pas été testé sur le véritable robot mais le prototype en LEGO prouve son efficacité. L'expérience n'est pas biaisée car le robot fonctionne sur le même principe qu'un robot LEGO, le mindstorm étant remplacé par deux cartes (arduino+raspberry) et les servos moteurs par des moteurs pas à pas.

Programme

Un programme de test a été réalisé avec LEGO ev3 software, il consistait à donner une position approximative du robot. La roue faisant 30 cm de périmètre : 120° = 10 cm, et à chaque cran (tous les 10 cm ) la position est précisée.

Réalisation

Le robot a été entièrement réalisé, le châssis, le bras et le préhenseur. J'ai commencé par le châssis, en vérifiant que les moteurs marchaient bien. J'ai ensuite testé la motorisation du bras avec un réducteur cyclo, puis j'ai monté le reste du bras. J'ai rencontré des problèmes de motorisation du préhenseur : il doit savoir faire tourner les outils mais aussi saisir les plantes en les laissant passer au centre. J'ai donc imaginé un système à baïonnettes pour saisir les outils ainsi que les pots.

Un petit programme de tests d'Arduino fait se déplacer le robot à travers les chemins. J'ai ainsi pu constater que le robot peut se déplacer avec précision, bien tourner dans les carrefours et connaitre sa position. J'ai également essayer de contrôler le robot avec un logiciel d'impression 3D en réseau, les résultats sont très concluant car j'utilise la même électronique et le g-code simplifie la programmation du robot.

L'application smartphone est seulement visuelle et reste à faire.

Potager

Prototypage

Pour le potager, la couche et un bac ont été réalisés avec une longueur de 80 cm (échelle : un demi). Des plantes y ont été plantées et j'ai pu suivre leur évolution. J'ai testé la récupération d'eau de pluie et du surplus d'arrosage.

Dalles des chemins

Les chemins ont été réalisés en mortier de résine + sable ( ce sera en résine + bambou) au le CR de Pont à Mousson. Des choix ont été réalisés, pour la matière (résine), la consistance (résine de bambou), la forme (il faut que cela soit emboîtable) et l'esthétisme (trous laissant passer l'herbe). J'ai ensuite testé les chemins pour voir si il remplissait bien leur fonction.

Est-ce sec ?

Les chemins..un bac !

Pour la sécurité, j'ai porté des gants, une blouse, un masque et des lunettes.

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Plantes

Les plantes qui peuvent être cultivées par Bot2Karot sont : navets, céleri, poivron, piment, navet, oignon, échalote, ail, salade, radis, carotte, haricots verts, persil, ciboulette, sauge, tomate, poireau, aubergine, chou, fenouil, betterave rouge, bette et un oeillet d'Inde ( pour protéger les autres plantes de certaines maladies).

Il s'agit de plantes adaptées au jardinage amateur. Seule manque  la pomme de terre mais il semble difficile de la buter avec le robot. Des tomates, des carottes et des salades ont été semées dans la couche et dans un bac et leur évolution semble correcte. Les collerettes permettent au robot de saisir les pots et ces derniers ne se dégradent pas dans la couche.

Robot

Les résultats du robot sont très encourageants. Il peut désormais prendre toutes sortes d'outils (tarière, herse, arrosoir et des pots et demain : une caméra, un semoir, une faucheuse, une sonde d'humidité de la terre)  grâce à son préhenseur universel. Il arrive à biner, percer, arroser, et à repiquer les pots. Sur l'image ci-dessous, le robot bine un bac en contournant les plantes : facile, il sait où elles se trouvent (il les a plantées !)

Le robot est très petit, il consomme ainsi peu et n'impose pas une structure monstrueuse. Il est adapté à un potager car il travaille tout le temps et peut réaliser ses tâches lentement mais précisément !

Le robot sait se déplacer grâce à son programme intégré dans la carte arduino et arrive à tourner (ce pourquoi les angles des bacs sont cassés).

Potager

La serre et un bac d'une longueur de 80 cm soit ½ du plan initial ont été réalisés. J'ai réussi à démontrer que sans aucune technologie actives (aucun moteur, aucune électronique) excepté le robot, j'arrive à automatiser un potager. Grâce au système de réservoir sous les pots de la couche, j'arrive à récupérer le surplus d'eau d'arrosage et l'eau de pluie grâce à la gouttière.

La composition des sols en "lasagnes" permet bien de drainer l'eau et grâce à la couche de terreau, le robot arrive à biner sans peine malgrés sa faible consommation énergétique.

Qu'en pensent les gens ?

Bien sûr, j'ai parlé de mon projet à mon entourage, les réponses sont concluantes. Les personnes trouvent le projet intéressant et aimeraient posséder ce type d'installation.

Voilà, un aperçu des réactions que j'ai eues : 

"J'achète !" Olivier, un technicien du centre de recherche,

"Excellent, j'adore" Jérôme, informaticien et développeur.

Je pense que mon projet pourrait également intéresser les personnes jouant aux jeux d'agriculture, fort occupées ou encore les personnes à mobilité réduite.

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Résultats :

Mes différents prototypes ont permis de montrer que le robot arrive effectivement à accomplir les tâches tel que arroser ou biner. Grâce au petit programme de tests que j'ai réalisé, j'arrive à faire se déplacer le robot. Le bras rencontre encore quelques problèmes de poids et un contre poids reste à mettre. Le prototype du potager permet de tester l'environnement de travail du robot (peut-il bien tourner...etc) mais aussi de voir si il est bien fonctionnel : récolte d'eau, ouverture de la couche, portes-pots...

Conclusion :

Grâce à Bot2Karot, le jardinage est devenu possible aux personnes actives ou à mobilité réduite. Le robot arrive à effectuer les tâches laborieuses du jardinage, tout ça sous le contrôle de l'utilisateur sur son smartphone. Il est donc possible d'automatiser un potager grâce à un petit robot simple mais bien conçu.

Limites des résultats et travaux complémentaires

Malheureusement, je n'ai pas eu le temps de réaliser l'application smartphone qui permet de contrôler le robot mais ce n'est pas là le problème car ce type d'application est déjà utilisé en domotique et l'interface reste celle d'un jeu vidéo.

Bot2Karot n'est pour le moment pas indépendant en énergie. Ils serait bon de munir le potager de panneaux solaires ou d'éoliennes pour alimenter le robot. Il faudrait tester toute un cycle d'arrosage ou de binage pour connaitre précisément la consommation du robot.

Le robot pourra avoir un semoir car il n'est pas pertinent de semer des plantes comme les radis dans des pots. Aucune recherche n'a été réalisé à ce sujet mais c'est envisageable.

Le robot est également muni d'un arrosoir dont il manque la pompe et le réservoir embarqué sur le prototype. Le robot devra prendre l'eau des réservoirs d'eau pluviale de la couche. Je me demande si l'unique récupération de l'eau suffira aux besoins de tout le potager même avec un binage fréquent mais je pense qu'un apport d'eau sera indispensable. Même si selon l'adage :

Deux binages valent un arrosage

Ce qui permet déjà d'économiser de l'eau car le robot peut biner régulièrement .

La fin du concours est vite arrivée et je n'ai pas pu planter mes pots dès le début avant la conception et la réalisation du potager. Je n'ai donc pu suivre qu'une partie de l'évolution des plantes et n'ai pas pu voir si la dégradation des pots se fait bien qu'une fois en pleine terre.

Autres questions

Serait-il possible d'adapter Bot2Karot aux toits des immeubles en rendant les villes vertes et mutualiser les potagers ?

Un autre intérêt de Bot2Karot à approfondir !

Serait-il possible d'automatiser un poulailler ?

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Personne :

Michael Sarrey, mon père, m'a aidé pour la réalisation (machines outils dangereuses !) mais aussi à remettre en question mes choix.

Elisabeth Fontaine, ma mère, et ma soeur Fanette pour leur soutien tout au long du projet.

Virgile Frenzel, un ami, pour  ses conseils et pour m'avoir aidé à démarrer la carte arduino.

Michel Sarrey, mon papy, pour m'avoir posé des questions auxquelles je n'avais pas pensé, pour m'avoir montré les jardins "lasagnes" et pour ses critiques.

Victoria, Olivier, José et Pascal de l'équipe du service revêtement du centre de recherche de Saint-Gobain PAM (dont je remercie le directeur Arnaud Marchal pour m'avoir ouvert la porte du centre de recherche)  m'ont aidé pour la réalisation des chemins de la ferme. Olivier a fait la composition de la résine, tous m'ont aidé au moulage, démoulage..etc

Jean Pierre Jacquot (wikipédia) a répondu à mes questions dans le domaine biologique, je remercie également Michel Jacquot et sa compagne pour m'avoir montré leur passion pour le jardinage virtuel.

Alain Garland, mon professeur de Mathématiques, pour m'avoir permis de filmer dans sa salle de cours.

Benoît, Alban et Thibault pour la vidéo en salle de cours.

Jérôme, mon prof de judo, pour la vidéo.

Antoine François, responsable de la salle informatique de mon collège, pour sa patience.

Annie Boulanger, la documentaliste, pour m'avoir ouvert le CDI entre 12 et 13H.

Ma grand-mère, pour la vidéo et ses conseils de jardinage

Je remercie également le reste de ma famille pour leur soutien.

Sites :

Tuto blender qui m'a permis de réaliser le personnage d'échelle, merci à Sebastian Lague

Site "Planetoscope"

Site "Francearigmer"

Site "Playstore"

Site de calcule de la puissance des panneaux solaires

Site sur les arbres à vent

Site Arduino

Site Raspberry

Site Octoprint

Tuto Arduino 1 et 2

Logiciels :

Sketchup Make V2015 (Conception)

Sketchup 8 (Export en STL, 3DS et DXF)

Blender V2.74 (Stabilisation des vidéos, montage vidéo...)

Cambam (Programmes d'usinage)

Emc2 (Usinage : gestion de la CNC)

Repetier Host (Impression 3D)

Movie Maker (Montage vidéo)

Google Docs

Google Slide

Google Drive

Lieu

Centre de recherche de Saint-Gobain PAM à Pont-à-Mousson

Laboratoire de biologie moléculaire de l'université de Lorraine

Atelier familiale

Matériel

Fraiseuse CNC 3 axes

Imprimante 3D delta

Etuve

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