Brevet FR2835059A1 — publié le 20030725

SYSTEME DE DETERMINATION DE LA VITESSE D'UN SKI La présente invention concerne la mesure de vitesse d'un mobile glissant sur une surface glacée, telle que de la neige, de la glace ou analogue. Elle s'applique à la mesure de la vitesse d'un ski, d'un patin à glace, d'une luge, d'un bobsleigh, d'un surf ou analogue. Une première catégorie de dispositifs de mesure de vitesse comprend des dispositifs nécessitant un équipement externe préalablement installé. L'équipement externe peut être par exemple un radar, une caméra ou une installation à photocellules. Une telle installation, plus connue dans le domaine du ski, permet de connaître la vitesse moyenne d'un skieur entre deux portiques sur lesquels sont fixées des photocellules de détection de passage. Il existe également des dispositifs de mesure de vitesse qui utilisent un moyen de positionnement par triangulation tel qu'un GPS (système de positionnement mondial). Le positionnement donné est juste à quelques mètres près et ne tient pas compte de l'altitude. Ces systèmes ne sont pas adaptés au calcul de la vitesse d'un skieur sur des distances relativement courtes. Ce système mesure le déplacement horizontal et ne permet pas de tenir compte du relief. De plus, le temps d'acquisition de la position est relativement long et le système peut être occulté par le relief. Les dispositifs de cette première catégorie nécessitent un équipement externe en général coûteux qui doit être installé par avance. Une seconde catégorie de dispositifs de mesure de vitesse comprend des dispositifs ne nécessitant pas d'infrastructure externe ; ils sont autonomes. Parmi ces dispositifs, on peut citer le compteur de tours de roue par minute qui permet d'obtenir la vitesse d'un vélo ou d'une voiture. Pour un coureur il existe le podomètre. La distance entre les deux pieds du coureur est proportionnelle à l'angle formé par les deux jambes. Par sommation de ces distances on obtient la vitesse du coureur. Contrairement au cycliste et au coureur, le skieur n'a pas d'éléments effectuant un mouvement répétitif permettant de mesurer la vitesse de façon similaire. Il existe d'autres dispositifs de mesure de vitesse autonomes utilisant les informations données par un ou plusieurs accéléromètres. Les valeurs d'accélération relevées permettent de définir la variation de vitesse entre deux instants. Les dispositifs nécessitent des calculs relativement complexes. De plus, la détermination d'une vitesse instantanée nécessite la connaissance de l'historique du déplacement depuis son point de départ. Toute erreur est donc cumulative. De plus, ces dispositifs sont mal adaptés à la mesure de la vitesse d'un ski soumis à des chocs et à des vibrations. Un objet de la présente invention est de prévoir un système autonome simple de mesure de la vitesse d'un ski. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel système autonome permettant de fournir les composantes longitudinale et transversale de la vitesse du ski. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un système de mesure d'un éventuel décollement du ski, et en particulier d'une inclinaison du ski par rapport à la surface de la neige. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit de lier à un ski un dispositif permettant de prendre à des intervalles de temps très rapprochés des images de la neige défilant sous le ski tandis que celui-ci est en déplacement, de comparer des images successives, d'en déduire le déplacement du ski, et de calculer les composantes longitudinale et transversale de la vitesse du ski pendant chaque intervalle de temps. La présente invention s'appuie sur la constatation, faite par l'inventeur, de ce que toute surface élémentaire de neige ou de glace est spécifique en ce qui concerne ses caractéristiques optiques. En conséquence, si deux images successives sont prises et comportent une portion d'image commune, cette portion d'image commune pourra être identifiée et le vecteur déplacement du ski pourra être calculé. De préférence, un composant électronique permettant de déterminer les déplacements incrémentiels du ski à partir des images successives de la surface de neige est positionné près d'un dispositif lié au ski qui permet de prendre des images. Les vecteurs de déplacement sont communiqués à un dispositif de calcul de vitesse lui-même relié à un dispositif d'affichage ou d'alarme. Les dispositifs de mesure de déplacement, de calcul des composantes longitudinale et transversale de la vitesse et les dispositifs d'affichage ou d'alarme peuvent être regroupés au niveau du ski ou être répartis entre le ski, un objet lié au skieur, et/ou une station éloignée, des moyens de communication appropriés permettant d'assurer la liaison entre ces divers dispositifs. Au niveau de la station éloignée, on pourra mémoriser l'ensemble des vecteurs de déplacement et les valeurs de vitesse afin de réaliser ultérieurement diverses analyses de trajectoires intéressantes pour le skieur ou ses entraîneurs. Plus particulièrement, la présente invention prévoit un système de mesure de la vitesse d'un ski comprenant un dispositif lié au ski apte à prendre des images successives de la surface défilant sous le ski, des moyens de mesure de déplacement par comparaison entre des images successives, et des moyens de calcul de la vitesse à partir des déplacements mesurés. Dans un mode de réalisation de l'invention, les moyens de mesure de déplacement comprennent un dispositif d'éclairage illuminant la surface sous le ski afin d'en faire l'image sur un photorécepteur. Dans un autre mode de réalisation, le système de mesure de la vitesse d'un ski comprend un moyen de détermination des vitesses longitudinale et transversale. Dans un autre mode de réalisation, le système de mesure de la vitesse d'un ski comprend un dispositif d'affichage de la vitesse. Dans un autre mode de réalisation, le système de mesure de la vitesse d'un ski comprend des dispositifs d'alarme. Dans un autre mode de réalisation, deux moyens de mesure de déplacement sont prévus, un de chaque côté de chacun des skis ou un de chaque côté d'au moins un ski. Dans un autre mode de réalisation, des moyens de mesure de déplacement comprennent un moyen de détermination du décollement d'un ski. Dans un mode de réalisation, un système d'analyse comprend des moyens pour comparer le décollement de chacun des détecteurs. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, des dispositifs d'affichage et/ou d'alarme sont disposés sur un objet portable par un skieur. Dans un autre mode de réalisation, les systèmes de mesure de la vitesse et du déplacement comprennent des moyens de mémorisation et d'analyse des déplacements et/ou des vitesses calculés. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente un ski sur lequel est inséré un dispositif de mesure de déplacement selon l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un ski incorporant un dispositif de mesure de déplacement selon un mode de réalisation de la présente invention ; les figures 3A et 3B représentent deux images successives obtenues avec un dispositif selon l'invention ; et la figure 4 est un schéma sous forme de blocs du système de mesure de vitesse selon l'invention. La figure 1 représente un ski 1 sur lequel sont placées des fixations 2 et 2' destinées à maintenir une chaussure 3. La présente invention prévoit d'insérer dans une cavité 4 du ski 1 un dispositif de mesure de déplacement du type décrit ci-après. La figure 2 est une vue en coupe du ski 1 au niveau de la cavité 4 dans laquelle est inséré un dispositif de mesure de déplacement 5 selon un mode de réalisation de l'invention. La cavité 4 définit, sous le ski, une fenêtre d' observation 10 au niveau de laquelle une portion de la neige présente sous le ski est visible. Le dispositif de mesure de déplacement 5 selon l'invention comprend des moyens pour éclairer cette fenêtre 10, des moyens pour faire l'image de cette fenêtre, et des moyens pour traiter cette image. Dans un mode de réalisation de l'invention, un bloc 6 d'un matériau transparent, par exemple du verre, est inséré dans la cavité 4. Cette cavité et le bloc comprennent par exemple des épaulements complémentaires 7 destinés à permettre un positionnement précis du bloc de façon que sa surface inférieure vienne exactement à l'aplomb de la surface inférieure du ski. Le bloc 6 pourra avoir, en vue de dessus, une forme carrée et présenter par exemple des dimensions de l'ordre de 10*10 mm. Le matériau du bloc transparent 6 sera choisi pour que sa surface inférieure soit suffisamment résistante. Elle sera éventuellement traitée spécifiquement à cet effet. Vu la dimension très réduite du bloc 6, la solidité du ski et son bon glissement sur la neige ne sont pas affectés. Les moyens pour éclairer la fenêtre d'observation de la neige 10 sous le ski comprennent par exemple une diode électroluminescente 9 qui peut être partiellement insérée dans une ouverture ménagée du côté de la face supérieure du bloc 6. Divers moyens pourront être prévus pour assurer une certaine directivité de l'éclairement en direction de la fenêtre d'observation 10. Du côté de la face supérieure du bloc 6 est formée une lentille 11, par exemple d'une seule pièce avec le bloc 6. La lentille permet de faire l'image de la fenêtre d'observation 10 sur un capteur d'image 12. De préférence, la surface du bloc 6 est recouverte d'une couche 13 d'un matériau opaque pour éviter l'influence de la lumière parasite sur le capteur d'image 12. L'homme de l'art notera que les systèmes d'éclairement de la neige situés sous la fenêtre d'observation et de recueil de l'image de cette fenêtre peuvent être soumis à des nombreuses variantes. Tout moyen d'éclairement pourra être utilisé. On pourra prévoir des moyens d'éclairement très sélectifs. Au lieu d'utiliser un bloc de matériau transparent inséré dans la cavité, on pourra prévoir une plaque transparente du côté de la face inférieure du ski, bouchant la cavité, et une plaque sensiblement au milieu de la cavité portant une lentille, un espace vide étant ménagé entre ces deux plaques et étant éventuellement associé à des moyens d'orientation et de recueil de la lumière. De même, l'homme de l'art saura choisir un système optique ayant une profondeur de champ suffisante pour que l'image de la surface de neige sur le capteur d'image 12 reste nette même quand le ski est totalement ou partiellement décollé de cette surface. Dans le mode de réalisation illustré, le bloc 6 a une hauteur inférieure à l'épaisseur du ski. Cependant le bloc 6 pourrait tout aussi bien avoir une hauteur égale ou supérieure à l'épaisseur du ski en fonction notamment du dispositif optique choisi. Dans la partie supérieure de la cavité, non occupée par le système d'éclairement et de prise d'image, sont disposés des circuits optoélectroniques comprenant notamment le capteur 12 susmentionné. Ce capteur est associé à des circuits électroniques permettant de prendre des images de la neige située sous la fenêtre d'observation 10, à des intervalles réguliers, et à une fréquence suffisamment élevée compatible avec la vitesse maximum possible du skieur. La présente invention prévoit également d'utiliser un dispositif permettant de mémoriser des images successives, et de les comparer pour déterminer le vecteur déplacement entre deux images successives, comme cela sera exposé ci-après en relation avec la figure 3. A partir de la mesure du vecteur déplacement, connaissant l'intervalle de temps entre deux images successives, on pourra déterminer un vecteur vitesse, c'est-à-dire la vitesse absolue, sa composante longitudinale et sa composante transversale. Dans le mode de réalisation illustré, on prévoit de calculer au niveau du ski uniquement le vecteur déplacement, et de transmettre ce vecteur déplacement vers des moyens de calcul et d'affichage de la vitesse distants. Ainsi, par exemple, on placera sur une carte de circuit imprimé 15 un composant 16 de calcul de vecteurs de déplacement associé au capteur d'image 12, un composant 17 d'émission de chaque vecteur déplacement calculé relié au composant 16 par des connexions prévues sur le circuit imprimé. On pourra également prévoir un dispositif d'alimentation 18, par exemple une pile ou un accumulateur rechargeable. L'ensemble des composants électroniques prévus du côté de la partie supérieure de la cavité 4 peut être noyé dans une résine 19. Pour que le dispositif d'alimentation reste efficace au cours du temps, on prévoira, s'il s'agit d'une pile, une ouverture dans la résine pour permettre de remplacer la pile, et, s'il s'agit d'un accumulateur rechargeable, des bornes pouvant être connectées à un dispositif d'alimentation externe. Dans un mode de réalisation de l'invention, le capteur d'image 12 et le composant 16 de calcul de vecteurs de déplacement sont un unique composant ADNS-2051 commercialisé par la société AGILENT. Ce composant est susceptible de fonctionner à des fréquences supérieures à 10 MHz et fournit en sortie, après chaque intervalle de mesure un flux de bits série codant les deux composantes du vecteur déplacement. Dans ce cas, l'émetteur 17 réémettra, par exemple au moyen d'une antenne, ce flux de bits série vers une station de traitement externe. Les figures 3A et 3B représentent deux images successives 100 et 101 de la surface de la neige prises par le capteur d'image 12. Par souci de clarté, seuls des pixels noirs ou blancs ont été représentés mais le capteur d'image 12 peut détecter une multitude de niveaux de gris. Sur chacune des images 100 et 101, on a indiqué des axes x et y, l'axe x correspondant à la direction longitudinale du ski et l'axe y correspondant à la direction transversale du ski. Comme on l'a indiqué précédemment, et selon un aspect fondamental de la présente invention, chaque image d'une surface de neige présente des caractéristiques spécifiques. On a indiqué en figure 3A, entouré d'un trait d'axe 103A un tel motif spécifique apparaissant dans l'image 100. On a également indiqué en figure 3B, ce même motif apparaissant dans l'image 101, désigné par la référence 103B. En raison du déplacement du ski entre les deux prises d'image, alors que le motif 103A était en bas à gauche de l'image 100, le motif 103B est en haut à droite de l'image 101. On notera également qu'il peut apparaître divers artefacts, par exemple tels que désignés par la référence 104 dans le motif 103A et par la référence 105 dans le motif 103B. On a également reproduit sur la figure 3B, le motif 103A en pointillés. On voit que le déplacement du motif 103 d'une image à l'autre se caractérise par un vecteur déplacement #, de composantes #x et Ay. Un composant 16 de calcul de vecteurs de déplacement permet de traiter les images 100 et 101 pour déterminer ce vecteur A sans tenir compte des divers artefacts. Un tel composant ne sera pas décrit en détail puisque des modes de réalisation en sont connus comme cela a été indiqué précédemment. Selon un autre aspect de la présente invention, on prévoit d'adjoindre au dispositif de mesure de déplacements latéraux et longitudinaux des moyens pour mesurer un déplacement perpendiculairement à la surface du ski, c'est à dire un décollement entre la partie du ski portant le capteur 12 et la surface de la neige. Ceci peut être effectué en évaluant le changement de dimension d'un motif entre deux images. En effet, plus le motif est proche, plus il sera gros sur l'image, et vice versa. Des moyens d'analyse pourront être réalisés pour déterminer la distance entre le capteur et la surface de la neige. Les vecteurs de déplacement calculés par le dispositif de mesure de déplacement 5 sont envoyés à des moyens de calcul et d'affichage de la vitesse 20. Les moyens 20 peuvent être groupés ou séparés, être fixés sur le ski, portés par le skieur ou être placés dans une station de traitement à distance. Comme cela est illustré en figure 4, les moyens 20 comportent un récepteur 21 qui reçoit les données de déplacement envoyées par l'émetteur 17 du dispositif de mesure de déplacement 5. Les données de déplacement sont alors transmises à un microcontrôleur 22 qui calcule la vitesse absolue du skieur, ainsi que la vitesse longitudinale et la vitesse transversale. Le microcontrôleur est relié à un dispositif d'affichage 24 et éventuellement à un dispositif d'alarme 25. La vitesse absolue, la vitesse longitudinale et la vitesse transversale peuvent être affichées. Une alarme peut être émise quand la vitesse absolue, longitudinale ou transversale excède une valeur seuil supérieure ou quand elle diminue en dessous d'une valeur seuil inférieure, les différentes valeurs seuil pouvant être sélectionnées par l'utilisateur. Une alarme peut aussi être émise quand le skieur dérape trop, c'est-à-dire quand la vitesse transversale devient trop importante par rapport à la vitesse longitudinale. L'homme de l'art notera que le calcul et l'affichage de la vitesse peuvent être soumis à de nombreuses variantes. Tout moyen de calcul de la vitesse, à partir de données de déplacement, pourra être utilisé. De même, d'autres fonctions d'affichage et d'alerte pourront aisément être mises en oeuvre. De plus, on pourra prévoir un dispositif d'éclairage du dispositif d'affichage ainsi que des moyens de sélection 26 permettant d'activer ou de désactiver les différentes fonctions du dispositif 20. Les données de vitesse et de déplacement peuvent être mises en mémoire afin de pouvoir réaliser ultérieurement différentes analyses. Des dispositifs d'analyse peuvent permettre entre autre de visualiser la trajectoire du skieur et de connaître la vitesse en tout point de la trajectoire. Les dispositifs d'analyse et d'affichage peuvent être de petite taille. Ils pourront être incorporés au ski. Ils pourront être placés dans un dispositif portable lié au skieur, par exemple à la manière d'un bracelet-montre. Si l'on estime que le skieur ne peut pas distraire son attention pour observer un affichage, on pourra prévoir uniquement, ou en outre, des alarmes sonores ou des moyens de fourniture d'informations parlées. Plusieurs dispositifs d'analyse peuvent être associés à une mesure de déplacement par exemple un sur un dispositif portable lié au skieur et l'autre dans une station à distance. La connaissance immédiate d'une trop grande perte de vitesse ou d'un dérapage trop important permet que le skieur s'auto-analyse instantanément. Il peut ainsi aisément percevoir quels sont les mouvements qui le ralentissent. En parallèle, l'entraîneur peut disposer d'un dispositif qui reçoit en continu les données de déplacement. L'entraîneur peut ainsi analyser la descente du skieur dans son ensemble et déterminer quels sont les endroits où le skieur a perdu de la vitesse. Une analyse précise de la courbure d'un virage peut permettre d'identifier la phase du virage responsable du freinage et le mouvement du skieur correspondant. Cette possibilité d'analyse fine, non possible actuellement, est précieuse. De plus, on peut prévoir de mémoriser dans un dispositif lié au ski ou au skieur, les données de déplacement d'un skieur effectuant par exemple un slalom. Une fois le slalom terminé, les données mémorisées peuvent être transmises à un dispositif d'analyse puissant tel qu'un ordinateur. On pourra alors analyser les différents passages dans le slalom en comparant les différentes trajectoires et savoir quelle est la trajectoire la plus rapide. On pourra aussi prévoir de lier un dispositif de mesure de déplacement 5 à chacun des deux skis de façon à obtenir une mesure de déplacement pour chaque ski. En effet, les skis ne sont pas constamment parallèles, ils ne se déplacent pas toujours exactement à la même vitesse. On pourra ainsi connaître les différences de vitesse pendant les différentes phases d'un virage par exemple. On disposera de préférence les dispositifs de mesure de déplacement à l'extérieur ou à l'intérieur de chaque ski. On pourra aussi prévoir deux dispositifs sur un ski respectivement côté intérieur et côté extérieur. Dans ces deux cas, si le dispositif selon l'invention est muni de moyens de mesure de déplacement vertical, on pourra déterminer l'inclinaison (la prise de carres) du ski dans le cas où l'un des détecteurs indique que le ski est en contact avec la neige et que l'autre détecteur indique que le ski a décollé de la surface de la neige.Un avantage de la présente invention est que le système de mesure de vitesse est totalement autonome, c'est à dire ne répond pas d'une installation liée à la piste sur laquelle évolue le skieur. Un autre avantage est que la méthode de calcul de la vitesse est simple. Un autre avantage est de pouvoir mesurer la vitesse du ski, et non du skieur. Un autre avantage est de pouvoir connaître la vitesse de chacun des skis séparément. Un autre avantage est de pouvoir détecter si un ski décolle partiellement ou totalement de la neige. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les supports de communication entre les différents dispositifs peuvent être n'importe quel support de communication connu. De plus, le dispositif de mesure de déplacement pourrait être positionné ailleurs que dans le ski, par exemple être lié aux fixations du ski. Dans le cas d'une installation disposée en partie sur le ski, en partie sur un objet portable et en partie dans une station à distance, on pourra répartir de diverses façons les éléments constitutifs de l'invention. Le calcul de vitesse pourra être fait à n'importe lequel des trois emplacements . Il pourra aussi être fait indépendamment en plusieurs des trois emplacements. Des moyens d'émission-réception pourront être prévus au niveau de deux ou trois emplacements, etc. Le dispositif précédemment décrit concerne un ski mais il s'applique tout aussi bien à une luge, des patins, un surf, un bobsleigh ou de façon générale à tout objet pouvant glisser sur de la neige ou de la glace. REVENDICATIONS 1. Système de mesure de la vitesse d'un ski comprenant: un dispositif lié au ski apte à prendre des images successives de la surface défilant sous le ski, des moyens de mesure de déplacement par comparaison entre des images successives, et des moyens de calcul de la vitesse à partir des déplacements mesurés. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens de mesure de déplacement comprennent un dispositif d' éclairage (9) illuminant la surface sous le ski (10) afin d'en faire l'image sur un photorécepteur (12). 3. Système selon la revendication 1, comprenant un moyen de détermination des vitesses longitudinale et transversale. 4. Système selon la revendication 1, comprenant un dispositif d'affichage de la vitesse. 5. Système selon la revendication 1, comprenant deux moyens de mesure, un de chaque côté de chacun des skis ou un de chaque côté d'au moins un ski. 6. Système selon la revendication 1, comprenant un moyen de détermination du décollement d'un ski. 7. Système selon les revendications 5 et 6 comprenant des moyens pour comparer le décollement de chacun des détecteurs. 8. Système selon la revendication 1, comprenant des dispositifs d'alarme. 9. Système selon les revendications 5 ou 6, dans lequel les dispositifs d'affichage et/ou d'alarme sont disposés sur un objet portable par un skieur. 10. Système selon la revendication 1, comprenant des moyens de mémorisation et d'analyse des déplacements et/ou des vitesses calculés.