Brevet FR2753537A1 — publié le 19980320

La présente invention concerne un appareil pour effectuer la mesure de la vitesse de course d'un sportif, tel qu'un coureur à pied ou un marcheur. Pour effectuer des mesures de vitesse d'un mobile, il est connu d'utiliser un appareil à effet Doppler. De manière générale, on utilise soit un appareil fixe visant le mobile et l'on mesure la vitesse du mobile par rapport à cet appareil, soit un appareil embarqué et visant le sol et, on mesure la vitesse du mobile par rapport au sol. On s'intéresse dans la présente invention au second cas de l'appareil embarqué. L'appareil de la présente invention est ainsi du type qui délivre un signal Doppler à partir d'au moins un faisceau émis et d'au moins un faisceau reçu correspondant audit ou à chaque faisceau émis qui est rétrodiffusé sur le sol. On connaît déjà, notamment par le document de brevet WO- A-88 02494, un tel appareil pour effectuer la mesure de la vitesse de course d'un skieur, lequel porte sur sa hanche ledit appareil. Ce dernier comprend un émetteur prévu pour émettre, au moyen d'une antenne guide d'ondes, une onde électromagnétique de haute fréquence, pouvant être comprise entre 3 et 100 gigahertz. Cette émission est effectuée dans une direction formant un angle de 45 avec la verticale et ce vers le milieu sur lequel évolue le skieur. Un récepteur également relié à la même antenne est prévu pour recevoir l'onde rétrodiffusée sur le milieu et est relié à l'entrée d'un calculateur prévu pour déterminer la vitesse du skieur directement à partir du déplacement Doppler de la fréquence de l'onde rétrodiffusée par rapport à l'onde émise. Pour expliquer le fonctionnement d'un tel appareil, on va considérer le schéma de la Fig. 1 sur lequel on peut voir deux points A et B séparés par une distance Ax. Au point A une onde Ee de longueur d'onde XHF est émise et au point B, cette onde Er qui a été réfléchie sur le sol au point P est reçue. Entre les ondes Ee et Er, il y a un déphasage 0 qui, pour les besoins de la démonstration, est considéré comme étant égal à 2n. On peut montrer que la distance fx est alors donnée par la relation suivante: x = 4HF /2.cos o O est l'angle que forment entre eux la direction du faisceau incident émis par l'appareil et le vecteur vitesse V du mobile. On notera que l'angle e est également l'angle formé entre la direction du faisceau incident et le sol. Le signal résultant du mélange des deux ondes Ee et Er respectivement émise et reçue dont on a de plus filtré la composante haute fréquence est le signal Doppler et a une amplitude qui est donnée par la relation suivante: Sd = E0 cos o 9 représente le déphasage entre les ondes Ee et Er. Cette expression montre que le signal Doppler est un signal périodique dont la période est celle du déphase 0. Or, par hypothèse, la période Doppler est la durée pour passer du point A au point B, soit: Td = ax /V soit en considérant l'expression ci- dessus: Td = XHF / V. cos O La fréquence Doppler est donc donnée par l'expression suivante: Fd = 2. V cos e /XHF- Elle est directement proportionnelle à la vitesse d'avancement du mobile. Il est donc possible de connaître cette vitesse par la mesure de la fréquence Fd. Cependant, on peut constater que la fréquence Doppler dépend aussi de l'angle e, c'est-à-dire de l'angle e qui est formé entre la direction du faisceau incident émis par l'appareil et le vecteur vitesse V du mobile. Ceci pose un problème lorsque le mobile est amené à modifier cette angle . Par exemple, dans le document de brevet mentionné ci- dessus WO-A-88 02494 concernant la mesure de la vitesse de course d'un skieur, l'appareil de mesure est monté sur la hanche du skieur. Lorsque celui-ci bascule vers l'avant ou vers l'arrière, il modifie l'inclinaison du faisceau incident par rapport au sol, ce qui entraîne une modification de l'angle entre le faisceau incident et le vecteur vitesse V, c'est-à-dire l'angle e de la Fig. 1. On comprendra que la mesure de la vitesse est alors perturbée. On a ainsi pu constater qu'un degré d'inclinaison de la hanche se traduit approximativement par une erreur de 1 % sur la mesure de la vitesse. Il s'ensuit que les appareils de l'art antérieur sont limités à des applications o le mobile se déplace horizontalement, et o l'appareil peut être placé et incliné de manière quasi-stable par rapport au sol. Le champ de ces applications est ainsi limité. La présente invention propose un appareil de mesure de la vitesse de course d'un sportif qui permette de résoudre le problème évoqué ci-dessus. A cet effet et selon une première caractéristique essentielle de l'invention, ledit appareil est prévu, d'une part, pour être monté de manière fixe sur une partie du corps dudit sportif qui est normalement animée lors de ladite course d'un mouvement cyclique décrit par un vecteur vitesse changeant au moins en module et, d'autre part, pour déterminer à chaque période à partir dudit signal Doppler la valeur maximale du module dudit vecteur vitesse afin d'en déduire la vitesse de course dudit sportif. Selon une variante de cette première caractéristique, ledit appareil est prévu, d'une part, pour être monté sur ou dans une chaussure dudit sportif et, d'autre part, pour déterminer à chaque période à partir dudit signal Doppler la valeur maximale du module du vecteur vitesse dont est animée ladite chaussure lors de ladite course afin d'en déduire la vitesse de course dudit sportif. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est prévu pour émettre deux faisceaux dans un plan contenant la direction d'avancement dudit sportif. Par exemple, le signal Doppler est déterminé à partir des fréquences Doppler respectivement dues auxdits faisceaux, par la relation: Fd 2V Fd2(Fdav cosa-Fdar Fd=av2 + À sina o a est l'angle formé entre lesdits deux faisceaux, Fdav et Fdar les signaux Doppler correspondant respectivement auxdits deux faisceaux. Avantageusement, lesdits deux faisceaux forment entre eux un angle de i/2. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour déduire la vitesse de course dudit sportif du module de la vitesse maximale, ledit appareil est prévu pour utiliser la relation affine suivante: Vav = a Vmax + b Avantageusement, a est sensiblement égal à 0, 6 et b est sensiblement égal à - 0,4. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est un schéma montrant le principe d'un appareil à effet Doppler et illustrant la détermination de l'expression du signal Doppler, la Fig. 2 est un schéma synoptique d'un appareil selon l'invention, la Fig. 3 est un schéma similaire à celui de la Fig. 1 dans lequel le vecteur vitesse présente une direction arbitraire, la Fig. 4 montre un premier mode de réalisation de l'appareil selon l'invention, la Fig. 5 représente le signal Doppler en fonction du temps obtenu avec un appareil selon le premier mode de réalisation représenté à la Fig. 4, la Fig. 6 montre la relation affine qui existe entre la vitesse maximale déterminée à partir du signal Doppler et la vitesse de course du porteur de l'appareil, la Fig. 7 montre un second mode de réalisation de l'appareil selon l'invention, la Fig. 8 représente le signal Doppler en fonction du temps obtenu avec un appareil selon le second mode de réalisation représenté à la Fig. 7, et la Fig. 9 montre la relation affine qui existe entre la vitesse maximale déterminée à partir du signal Doppler et la vitesse de course du porteur de l'appareil. De manière générale, un appareil de mesure selon l'invention est du type qui délivre un signal Doppler à partir d'au moins un faisceau émis et d'au moins un faisceau reçu correspondant audit ou à chaque faisceau émis qui est rétrodiffusé sur le sol. Le schéma synoptique d'un tel appareil est représenté à la Fig. 2. Il est constitué d'une tête hyperfréquence 1 qui est pourvue d'une antenne émission/réception la et dont la sortie est reliée à une unité de pré- traitement 2. Comme cela est connu dans le domaine de la technique, la tête hyperfréquence 1 est constituée, outre l'antenne la, d'une transition et d'une cavité telle qu'une cavité MACOM. Cette cavité est montée sur la transition et constitue, d'une part, un émetteur fonctionnant à une fréquence avantageuse de 24,125 GHz, par exemple à diode GUNN et délivrant l'onde générée à l'antenne la. L'onde rétrodiffusée et reçue par l'antenne la est mélangée par exemple au moyen d'une diode Schottky. L'onde résultant, d'une part, du mélange de l'onde émise et de l'onde réfléchie et, d'autre part, d'une préamplification et d'un filtrage des hautes fréquences effectués par l'unité de pré-traitement 2 constitue le signal Doppler dont la fréquence correspond au déplacement en fréquence de l'onde rétrodiffusée par rapport à celle de l'onde émise. L'appareil de l'invention comprend de plus une unité de traitement 3 qui est prévue pour délivrer à partir du signal Doppler un signal représentatif de la vitesse d'avancement Vav. On va considérer le schéma de la Fig. 3 similaire à celui de la Fig. 1 mais dans lequel le vecteur vitesse V présente une direction arbitraire différente de l'horizontale. Par un raisonnement et une démonstration similaire à celle qui a été faite en relation avec la Fig. 1, on peut montrer que la fréquence Doppler est donnée par la relation suivante: Fd = 2 V cos e / >HF L'angle C est l'angle que forment entre elles la direction du vecteur vitesse V et la direction du faisceau émis par le radar. On peut constater que la fréquence Doppler dépend en fait, d'une part, de l'angle O et, d'autre part, du module du vecteur vitesse V ou amplitude du vecteur vitesse. Partant de cette constatation, le présent demandeur a pensé, pour pouvoir mesurer la vitesse de course d'un sportif, à monter un appareil de mesure tel qu'il vient d'être décrit en relation avec la Fig. 2 de manière fixe sur une partie du corps dudit sportif, ladite partie devant être normalement animée lors de ladite course d'un mouvement cyclique décrit par un vecteur vitesse changeant en module et éventuellement en direction. Dans les exemples de réalisation qui sont décrits, ledit appareil est monté sur ou dans une chaussure d'un coureur à pied. A chaque double- pas, le mouvement du pied du coureur se reproduit formant ainsi un mouvement cyclique dont le vecteur vitesse change aussi bien en module qu'en direction. L'invention s'applique à toute partie du corps du coureur qui forme un tel mouvement cyclique, par exemple sur un bras qui effectue lui aussi un mouvement cyclique à chaque double pas. On a représenté à la Fig. 4 un premier mode de réalisation de l'invention. comme on peut le constater l'appareil de mesure 10 est monté sur une chaussure 20 du coureur et il comprend en réalité deux antennes 11 et 12 respectivement reliées à deux unités Doppler 13 et 14. Chaque unité Doppler 13 et 14 délivre un signal Doppler Fdav, Fdar qui est alors fourni à une unité de traitement et d'acquisition 15. Les faisceaux émis par les deux antennes 11 et 12 sont contenus dans un même plan vertical qui contient également la direction de course du coureur. Alors que l'antenne 11 a son faisceau incident qui est dirigé vers l'avant de la chaussure 20, l'antenne 12 a son faisceau incident qui est dirigé vers l'arrière de la chaussure 20. L'angle que forment entre eux les deux faisceaux respectivement émis par les deux antennes 11 et 12 est a. L'unité 15 détermine le signal Doppler FD à partir du signal Doppler Fdav correspondant à l'antenne avant 11 et le signal Doppler Fdar correspondant à l'antenne 12 dirigée vers l'arrière. On peut montrer que les fréquences Doppler Fdav et Fdar prennent les valeurs respectivement données par les relations suivantes: Fdav = 2.V.Cos O / et Fdar = 2.V.Cos (O + a) / La résultante de la fréquence Doppler est donc égale à: 2V 2 Fdav.cosa-Fdar Fd= Fa k, \sina o V est la vitesse réelle du pied. Lorsque la valeur de l'angle a est égale à i/2, cette expression se simplifie et la fréquence Doppler devient égale à: FD = (Fdav2 + Fdar2)11/2 On peut également montrer que la valeur de l'angle O entre l'axe du faisceau émis par l'antenne 11 et le vecteur vitesse est également donnée par la relation suivante: O = arccos ( Fdav/FD) On a représenté à la Fig. 5 une courbe montrant le module de la vitesse réelle du pied qui a pu être ainsi mesurée et ce en fonction du temps pour une vitesse de course de 1,56 m/s (5,62 km/h). On constate que chaque double pas est bien marqué et que l'on peut à la fois mesurer la durée d'un double pas et la vitesse maximale atteinte à chaque double pas. Selon l'invention, on détermine le module de la vitesse maximale atteinte à chaque cycle et on en déduit la vitesse de course du sportif. On a marqué par des flèches sur la Fig. 5 les points considérés de la courbe. La déduction de la vitesse de course dudit sportif à partir du module de la vitesse maximale peut se faire de différentes manières. On peut par exemple citer une déduction qui serait réalisée à partir d'une table mémorisée dans ledit appareil dont les valeurs seraient obtenues empiriquement, lors par exemple d'essais ou de périodes d'étalonnage. Néanmoins, selon une autre caractéristique de l'invention, on déduit la vitesse de course dudit sportif à partir du module de la vitesse maximale en utilisant la relation affine suivante: Vav = a Vmax + b On a représenté, à la Fig. 6, une courbe donnant la vitesse réelle de course d'un coureur à pied en fonction de la vitesse maximale qui a été déterminée comme précédemment. Comme on peut le constater on obtient une droite dont on a pu montrer que l'équation était la suivante: Vav = 0,6 Vmax - 0,4, les vitesses étant exprimées en mètres/seconde. On a pu montrer que cette relation est valable pour des vitesses comprises entre 2m/s et 9m/s. Ce premier mode de réalisation est précis. Par ailleurs, il est possible, comme cela a été mentionné ci-dessus, de mesurer l'angle O. Cependant, il pose problème du fait de la relative complexité du traitement qui est à mettre en oeuvre. Aussi, préfère-t-on un mode de réalisation d'un appareil qui serait équipé d'une seule antenne, par exemple soit monofaisceau, soit bifaisceau. On a représenté à la Fig. 6 un second mode de réalisation de l'invention dans laquelle l'unique antenne 11' est à bifaisceau. L'appareil de mesure 10' est également monté sur une chaussure 20 du coureur et son antenne 11' a un premier faisceau incident dirigé vers l'arrière de la chaussure 20 et un second faisceau incident dirigé vers l'avant de la chaussure 20. Il comprend également une unité de traitement et d'acquisition 15. La Fig. 8 montre une courbe expérimentale du module de la vitesse en fonction du temps. On peut constater que chaque double pas est aussi bien marqué qu'avec deux antennes monofaisceau et qu'on peut à la fois mesurer la durée du double pas et le module de la vitesse de chacun d'entre eux. Avec ce système d'antenne bifaisceau, il n'est pas possible de déterminer l'angle 0. Les résultats qui vont suivre sont donnés en faisant l'approximation selon laquelle l'angle O est nul, ce qui correspondrait à l'instant o le vecteur vitesse est dans la même direction qu'un des deux faisceaux de l'antenne bi- faisceau. On montre à la Fig. 7, la courbe expérimentale donnant la vitesse de course en fonction de la vitesse maximale déterminée à partir de la courbe de la Fig. 8. On constate que cette courbe est une droite et l'on a pu montrer que son équation est la suivante: Vav = 0,6 Vmax - 0,4 Dans les exemples de réalisation qui sont décrits dans la présente demande, l'unité 15 délivre un signal de mesure soit à un afficheur (non représenté) qui est porté par le coureur lui-même, soit à un émetteur (également non représenté) qui le transmet à un poste distant. On notera que l'appareil de mesure de la vitesse selon l'un ou l'autre mode de réalisation peut comporter des moyens de mémorisation des résultats des mesures effectuées, par exemple en fonction du temps de la course effectuée par l'utilisateur. On notera encore que ledit appareil pourrait être également prévu pour déterminer la distance parcourue lors d'une course effectuée par ledit sportif, cette détermnination se faisant par intégration du module de la vitesse mesurée sur la durée de ladite course. REVENDICATIONS 1) Appareil de mesure de la vitesse de course d'un sportif, ledit appareil étant du type qui délivre un signal Doppler à partir d'au moins un faisceau émis et d'au moins un faisceau reçu correspondant audit ou à chaque faisceau émis qui est rétrodiffusé sur le sol, caractérisé en ce qu'il est prévu pour être monté de manière fixe sur une partie du corps dudit sportif qui est normalement animée lors de ladite course d'un mouvement cyclique décrit par un vecteur vitesse changeant au moins en module, en ce qu'il est prévu pour déterminer à chaque période à partir dudit signal Doppler la valeur maximale du module dudit vecteur vitesse afin d'en déduire la vitesse de course dudit sportif. 2) Appareil de mesure de la vitesse de course d'un sportif, tel qu'un coureur à pied, ledit appareil étant du type qui délivre un signal Doppler à partir d'au moins un faisceau émis et d'au moins un faisceau reçu correspondant audit ou à chaque faisceau émis qui s'est réfléchi sur le sol, caractérisé en ce qu'il est prévu pour être monté sur ou dans une chaussure dudit sportif, en ce qu'il est prévu pour déterminer à chaque période à partir dudit signal Doppler la valeur maximale du module du vecteur vitesse dont est animée ladite chaussure lors de ladite course afin d'en déduire la vitesse de course dudit sportif. 3) Appareil de mesure de la vitesse de course d'un sportif, tel qu'un coureur à pied, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est prévu pour émettre deux faisceaux dans un plan contenant la direction d'avancement dudit sportif. 4) Appareil de mesure de la vitesse de course d'un sportif, selon la revendication 3, caractérisé en ce que le signal Doppler est déterminé à partir des fréquences Doppler (Fdav et Fdar) respectivement dues auxdits faisceaux, par la relation: Fd V Fd + (Fdav. cosa - Fdar2 À \ si n a o a est l'angle formé entre lesdits deux faisceaux. ) Appareil de mesure de la vitesse selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits deux faisceaux forment entre eux un angle de r/2. 6) Appareil de mesure de la vitesse selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour déduire la vitesse de course dudit sportif du module de la vitesse maximale, il utilise la relation affine suivante: Vav = a Vmax + b 7) Appareil de mesure de la vitesse selon la revendication 6, caractérisé en ce que a est sensiblement égal à 0,6 et en ce que b est sensiblement égal à - 0,4. 8) Appareil de mesure de la vitesse selon une des revendications précécentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'affichage des résultats de mesures effectuées, lesdits moyens étant prévus pour être portés par ledit sportif. 9) Appareil de mesure de la vitesse selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour transmettre sans fil les résultats des mesures effectuées à des moyens d'affichage distants. ) Appareil de mesure de la vitesse selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mémorisation des résultats des mesures effectuées. 11) Appareil de mesure de la vitesse selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu pour déterminer la distance parcourue lors d'une course effectuée par ledit sportif par intégration du module de la vitesse mesurée sur la durée de ladite course.