Brevet FR2895499A1 — publié le 20070629

La présente invention concerne un procédé d'estimation de l'orientation d'un solide. Elle concerne également un dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide. Plus généralement, la présente invention concerne l'observation en 10 temps réel de l'orientation d'un segment au cours du temps, même dans des situations dynamiques. Elle concerne en particulier l'estimation de l'orientation d'un solide en mouvement contraint dans un plan. Plus particulièrement, la présente invention trouve une application en 15 biomécanique dans l'observation des mouvements chez l'homme, comme la marche, le lever d'une chaise. Ce type de mouvement dynamique est limité à une rotation dans un plan non horizontal autour d'un axe fixe ou mobile. La présente invention vise aussi à estimer l'orientation relative de deux segments articulés l'un par rapport à l'autre et animés d'un mouvement de 20 rotation dans un même plan non horizontal. L'angle entre ces deux segments varie de manière continue dans le temps. Il s'agit d'un type de mouvements très particulier mais présent chez l'homme, dans la classe des mouvements réalisés dans le plan sagittal. Plusieurs approches ont été utilisées à ce jour pour tenter d'observer 25 en temps réel l'orientation d'un solide. En particulier, il est connu d'utiliser des systèmes optoélectroniques (caméras associées à des marqueurs embarqués sur le solide observé) ou des systèmes à ultrasons. Ces systèmes permettent d'accéder à une information de position de manière précise mais sont des solutions coûteuses, limitées à un 30 environnement équipé pour permettre cette observation. D'autres approches se fondent sur l'utilisation de capteurs embarqués sur la personne, telle que l'utilisation de goniomètres, d'accéléromètres, ou encore de gyroscopes. Des centrales inertielles utilisent à la fois des accéléromètres 5 associés à des gyroscopes et des magnétomètres. Toutefois, un accéléromètre mesure en permanence une composante gravitationnelle, toujours présente, et une composante d'accélération propre, absente en cas de conditions statiques de l'accéléromètre. 10 Cependant, il n'est en général pas possible dans des situations dynamiques de dissocier ces deux composantes. Par conséquent, il est difficile, voire impossible, à partir de telles mesures dynamiques de connaître l'information angulaire (c'est-à-dire l'accélération due à la gravité pendant la durée du mouvement). 15 II est alors nécessaire d'utiliser des capteurs annexes, tels que par exemple des gyromètres. De môme, il est délicat de remonter à l'information angulaire à partir des mesures réalisées par un gyromètre, du fait de la dérive introduite par l'intégration de la valeur mesurée en sortie du gyromètre. Cette dérive 20 augmente au cours du temps et nécessite de resynchroniser régulièrement la mesure du gyromètre avec un autre système. La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients précités et de proposer un procédé et un dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide permettant de s'affranchir de l'accélération du solide. 25 À cet effet, la présente invention concerne un procédé d'estimation de l'orientation d'un solide animé d'un mouvement de rotation dans un plan non horizontal, solide équipé d'au moins un capteur sensible aux changements d'orientation. Selon l'invention, le procédé comprend une étape d'estimation d'au 30 moins un angle dans le plan par rapport à un référentiel, à partir des mesures dudit capteur sensible à un champ magnétique et ayant au moins deux axes de sensibilité. 3 Le champ magnétique peut être le champ magnétique terrestre local ou un champ généré par une source artificielle électromagnétique. Grâce à l'utilisation d'un capteur sensible à un champ magnétique, il est possible de détecter les variations angulaires du capteur. Un capteur sensible à un champ magnétique n'étant pas sensible aux accélérations, l'acquisition de mesures à partir d'un capteur sensible à un champ magnétique permet d'obtenir une information angulaire sur l'orientation d'un solide en dehors de toute composante dynamique liée au mouvement. En pratique, le capteur sensible à un champ magnétique comprend deux axes de sensibilité dans le plan du mouvement du solide. Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape de détermination de l'accélération propre du solide dans le plan à partir des mesures d'un capteur sensible à l'accélération, l'accélération mesurée par ledit capteur sensible à l'accélération étant décomposée en une composante gravitationnelle obtenue à partir de l'angle dans le plan estimé à ladite étape d'estimation et en une composante cinématique. Le procédé d'estimation conforme à l'invention permet ainsi grâce à l'emploi conjoint d'un magnétomètre et d'un accéléromètre de réaliser dans un premier temps l'estimation d'un angle dans le plan, et dans un second temps, la détermination de l'accélération propre due au mouvement du solide. Corrélativement la présente invention concerne également un procédé d'estimation de l'orientation relative de deux solides animés d'un mouvement de rotation dans un même plan non horizontal, chaque solide étant équipé d'un capteur sensible aux changements d'orientation. Le procédé d'estimation comprend une étape d'estimation de l'orientation dans le plan d'un solide par rapport à l'autre solide, à partir des mesures d'au moins deux magnétomètres ayant chacun au moins deux axes de sensibilité, chaque magnétomètre étant disposé respectivement sur un solide. Le procédé conforme à l'invention permet ainsi d'estimer l'orientation relative de deux segments articulés l'un par rapport à l'autre et animés d'un mouvement de rotation dans un même plan non horizontal. En pratique, en vue de simplifier les mesures, lesdits magnétomètres sont montés dans une position initiale de telle sorte que lesdits au moins deux axes de sensibilité sont alignés deux à deux. Selon un second aspect, la présente invention concerne également un dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide animé d'un mouvement de rotation dans un plan non horizontal, solide équipé d'au moins un capteur sensible aux changements d'orientation. Selon l'invention, le capteur est un capteur sensible à un champ magnétique et ayant au moins deux axes de sensibilité. En particulier, ce dispositif de mesure est adapté à mettre en oeuvre le procédé d'estimation de l'orientation d'un solide animé d'un mouvement de rotation dans un plan non horizontal conforme à l'invention. Il présente des avantages et caractéristiques analogues à ceux décrits précédemment en référence avec le procédé d'estimation conforme à l'invention. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : - la figure 1 est un schéma illustrant la mise en oeuvre du procédé d'estimation de l'orientation relative de deux solides dans le cas de la marche d'un homme en ligne droite selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 2A et 2B sont une représentation en coordonnées sphériques d'un vecteur mesuré en sortie d'un dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide selon un mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 3 et 4 sont des schémas illustrant un dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide conforme à un mode de réalisation de l'invention appliqué à l'estimation du mouvement du torse d'une personne. On va décrire à présent en référence à la figure 1, un dispositif d'estimation de l'orientation relative de deux solides et le procédé associé dans une première application de l'invention. Ici, on a illustré le cas de la marche de l'homme en ligne droite. Le dispositif d'estimation de l'orientation comprend dans ce mode de réalisation deux magnétomètres sensibles à un champ magnétique, et plus particulièrement au champ magnétique terrestre. On notera que le champ magnétique peut également être généré 5 localement par une source artificielle électromagnétique. Un premier magnétomètre 11 est posé par exemple sur le tibia d'un homme et le second magnétomètre 12 est posé sur la cuisse de la même jambe. En pratique, on cherche à observer l'angle du genou en temps réel, c'est-à-dire l'angle formé par la cuisse et le tibia lors de la marche d'un homme en ligne droite. Ce type d'estimation du mouvement du genou est utile par exemple dans le cadre de la rééducation et d'une orthèse de genou. Les deux magnétomètres 11 et 12 sont placés dans un 15 environnement non perturbé magnétiquement de telle sorte que ces deux magnétomètres 11, 12 mesurent chacun uniquement le champ magnétique terrestre. De préférence, on réalise une étape de calibrage de manière à définir une orientation initiale relative des deux magnétomètres 11, 12. 20 Chaque magnétomètre a dans cet exemple trois axes de sensibilité. Bien entendu, seuls deux axes de sensibilité pourraient suffire dès lors que les deux axes de sensibilité de chaque magnétomètre sont dans le plan du mouvement de la jambe. Ici, le premier magnétomètre 11 a trois axes de sensibilité xbl, ybl 25 et zbl . Le second magnétomètre 12 a trois axes de sensibilité xb2, yb2 et zb2. Dans cette application, on considère que la marche est réalisée en ligne droite de telle sorte que les axes xbl, zbl et xb2, zb2 sont en permanence 30 situés dans un même plan, et ici un plan vertical. 6 Corrélativement, les axes ybl et yb2 sont confondus et dirigés suivant une même direction horizontale perpendiculaire au plan vertical de la marche. Dans ce mouvement étudié, il existe en réalité un nombre dégradé de degrés de liberté. En particulier, le mouvement est fonction uniquement de deux angles, un angle d'azimut correspondant à la rotation dans le plan horizontal autour d'un axe z et un angle d'élévation correspondant à la rotation dans le méridien autour d'un axe y. Par exemple, dans le cas de la marche en ligne droite, l'angle d'azimut est fixe et l'angle d'élévation varie. L'angle d'azimut yJ et l'angle d'élévation 0 sont illustrés sur les figures 2A et 2B dans un système de coordonnées sphériques. On peut considérer que dans la position initiale les axes sensibles des capteurs 11, 12 sont alignés deux à deux et avec les axes anatomiques de la personne. En particulier, les axes zbl et zb2 des magnétomètres 11, 12 sont alignés et disposés verticalement lorsque la jambe est dans une position droite et au repos, c'est-à-dire que l'angle du genou est nul. En pratique, les mesures acquises en sortie des deux magnétomètres 11, 12 sont échantillonnées dans le temps. À chaque instant donné, on mesure ainsi deux vecteurs à trois composantes correspondant ainsi à la mesure de chaque capteur 11, 12 selon ses trois axes de sensibilité. On note v_bl[n] et v_b2[n] les vecteurs à trois composantes mesurés pour chaque magnétomètre 11, 12 dans un repère mobile qui lui est propre, les vecteurs ayant une norme identique. En pratique, pour connaître l'angle formé par le genou, il convient de rechercher la matrice de rotation qui permet de passer d'un vecteur à l'autre. Cette recherche est simplifiée dès lors qu'il est possible d'anticiper la nature de la matrice de rotation. Dans cet exemple d'application, la matrice de rotation correspond à une rotation selon un axe y, confondu en permanence avec les axes ybl et yb2 des repères mobiles propres à chaque magnétomètre 11, 12. Le modèle qui relie les vecteurs mesurés en sortie des magnétomètres 11, 12 est du type : v_bl[n] = R(9)v_b2[n] L'estimation angulaire prend en compte simultanément les deux mesures données par les deux capteurs 11, 12, puis on cherche la matrice de rotation R qui permet d'exprimer la mesure v_b2 dans un repère mobile lié à v_bl. On obtient ainsi directement l'angle de rotation d'un capteur par rapport à l'autre capteur et non les angles de rotation de chacun des capteurs par rapport à un référentiel fixe. Par une technique d'optimisation connue, on détermine l'angle d'élévation 0 de la matrice de rotation R en minimisant une fonction de coût du type : J(9) _: IIv _ bl[n] ù R(0)v _ b2[n] 2 où 0 désigne l'angle de rotation autour de l'axe y, 0 étant égale à 0 lorsque la jambe est droite. La minimisation de cette fonction permet ainsi de déterminer l'angle d'élévation 0 correspondant à l'angle de rotation autour de l'axe y, donc à l'angle du genou. Bien entendu, on a décrit précédemment la détermination d'un seul angle, et par exemple l'angle d'élévation O. On pourrait également mettre en oeuvre l'invention pour la détermination de deux angles à l'aide des magnétomètres, et par exemple la détermination à la fois de l'angle d'élévation 0 et de l'angle d'azimut y notamment si la marche étudiée n'est plus en ligne droite. Bien que dans ce mode de réalisation, le capteur de position angulaire est constitué de deux capteurs sensibles à un champ magnétique 11, 12, l'invention peut également être mise en oeuvre avec un unique magnétomètre sensible au champ magnétique terrestre afin d'estimer l'orientation d'un solide animé d'un mouvement de rotation dans un plan non horizontal. 8 Dans ce cas, l'estimation de l'orientation du solide est déterminée à partir de l'angle dans le plan de ce magnétomètre par rapport à un repère, qui peut correspondre à une orientation initiale du solide en mouvement, et donc du capteur, ou à un référentiel fixe. Par exemple, si un magnétomètre est uniquement placé sur la cuisse, correspondant par exemple au magnétomètre 12 à la figure 1, il est possible à partir du vecteur mesuré sur les trois axes de sensibilité du magnétomètre 12 de trouver l'angle de rotation par rapport à un vecteur d'orientation initial v_bl[O]. Le modèle qui relie le mouvement aux mesures est du type : v_bl[n] = R(8)v_bl[0] Bien entendu, l'utilisation du dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide tel que décrit précédemment et le procédé mis en oeuvre pour déterminer l'orientation du solide en mouvement n'est pas limitée à l'étude de la marche, mais peut être utilisée dans de nombreux autres cas d'application. On va décrire à présent en référence aux figures 3 et 4 un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel le dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide, outre un capteur sensible à un champ magnétique 21, comprend également un capteur sensible à l'accélération du solide. Ce capteur sensible à l'accélération 22 peut être par exemple un accéléromètre. Ainsi, le capteur sensible à un champ magnétique 21 est associé à un capteur sensible à l'accélération 22 pour former une centrale d'attitude. Comrne illustré sur la figure 4, la mesure réalisée en sortie d'un 25 accéléromètre 22 comprend une composante vectorielle liée à la pesanteur g et une composante vectorielle cinématique 7 due aux mouvements propres du solide observé. Ainsi, l'accélération en sortie de l'accéléromètre s'exprime de la manière suivante : 30 y') _= 52+ g 9 Grâce à l'invention et à la mesure réalisée par le magnétomètre 21, il est possible de déterminer l'angle 0 correspondant à la rotation du solide autour de l'axe y de manière à déduire la composante liée à la pesanteur g et ainsi d'accéder à la composante cinématique mesurée par l'accéléromètre 22. En pratique, comme bien illustré sur la figure 3, il est possible à partir du vecteur à trois composantes mesuré en sortie du magnétomètre 21 de déduire deux angles de rotation du solide, c'est-à-dire deux degrés de liberté. Comme indiqué précédemment, on choisira de préférence l'angle d'azimut yf et l'angle d'élévation O. En revanche, on considère que la rotation dite de roulis autour de l'axe xb est nulle ou bien de caractéristiques connues prédéterminées. Le modèle de mouvement s'écrit alors : v_b[n] = R(0,yi)v_i = R'(0)v_r où v donne une mesure dans un référentiel inertiel (xi, yi, zi) ; et où v_ r donne une mesure dans un référentiel (xr, yr, zr) avec (xi, yi, zi) référentiel où zi est vertical vers le haut et xi est horizontal vers le Nord magnétique local et yi est horizontal vers l'Ouest ; (xr, yr, zr) se déduit de (xi, yi, zi) par une rotation d'angle `F autour de zi. Comme bien illustré sur la figure 3, la mesure donnée par le magnétomètre 21 est décomposée sur la projection des axes mobiles (xb, yb, zb) en les coordonnées (mxb, myb, mzb). Ces valeurs correspondent à la projection sur le repère mobile du vecteur champ magnétique terrestre. Ces valeurs dépendent uniquement de la direction par rapport au Nord magnétique local dans laquelle la personne se penche et de l'angle d'inclinaison du torse. On définit un système (xr, yr, zr) lié à la personne dont l'axe xr est horizontal et dirigé vers l'avant de la personne et l'axe zr est vertical. Ainsi, à partir de cette mesure il est possible de déduire l'angle 0 avec le repère (xr, yr, zr) correspondant à la rotation du repère mobile (xb, yb, zb). 10 En pratique, on utilise le même modèle que celui décrit en référence à la figure 1 permettant d'estimer la matrice de rotation entre le repère mobile (xb, yb, zb) et le repère (xr, yr, zr). En revenant à la figure 4, grâce à la connaissance de l'angle 0, il est possible d'utiliser cette information pour séparer la composante gravitationnelle g de la composante due aux mouvements propres de l'objet . En effet, l'information angulaire absolue fournie par le magnétomètre 21 peut être utilisée pour prédire la composante gravitationnelle g de l'objet dans un repère mobile (xb, yb, zb) et ainsi par différence obtenir la composante due aux mouvements propres de l'objet selon la relation = y(m) û g . On est ainsi capable d'exprimer la composante due aux mouvements propres de l'objet dans le repère inertiel et ainsi d'accéder aux accélérations verticales et antéropostérieures (c'est-à-dire vers l'avant ou vers l'arrière) dues aux mouvements du torse. On peut ainsi disposer d'une véritable estimation du mouvement du torse dans un référentiel (xr, yr, zr) qui peut être comparé à d'autres types de mouvements analogues. Grâce au procédé d'estimation de l'orientation d'un solide conforme à l'invention, il est possible de déterminer, à partir de la mesure réalisée par un capteur sensible uniquement au champ magnétique, la position angulaire d'un solide et ainsi, à partir de la mesure complémentaire réalisée par un capteur sensible à l'accélération, de connaître également le mouvement propre d'accélération du solide. On notera que par des techniques de double intégration connues, il est possible de remonter à partir de ces informations à la nature du déplacement et d'avoir une information précise sur son amplitude, c'est-à-dire vers le haut ou vers le bas, la hauteur du déplacement par rapport au sol, ... Cette information est particulièrement intéressante pour le cas de transferts assis vers debout ou debout vers assis d'une personne afin de caractériser ce mouvement. 11 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits précédemment et de nombreuses modifications peuvent être apportée à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation de l'orientation d'un solide animé d'un mouvement de rotation dans un plan non horizontal, solide équipé d'au moins un capteur sensible aux changements d'orientation, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'estimation d'au moins un angle dans le plan par rapport à un référentiel, à partir des mesures dudit capteur (11, 12 ; 21) sensible à un champ magnétique et ayant au moins deux axes de sensibilité. 2. Procédé d'estimation conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits deux axes de sensibilité du capteur (11, 12 ; 21) sont dans ledit plan. 3. Procédé d'estimation conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit plan est un plan vertical. 4. Procédé d'estimation conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit référentiel est un référentiel fixe. 5. Procédé d'estimation conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit référentiel est défini par une orientation initiale dudit capteur. 6. Procédé d'estimation conforme à l'un des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de détermination de l'accélération propre du solide dans le plan à partir des mesures d'un capteur sensible à l'accélération, l'accélération mesurée par ledit capteur sensible à l'accélération étant décomposée en une composante gravitationnelle obtenue à partir de l'angle dans le plan estimé à ladite étape d'estimation et en une composante cinématique. 7. Procédé d'estimation de l'orientation relative de deux solides animés d'un mouvement de rotation dans un même plan non horizontal, chaque solide étant équipé d'un capteur sensible aux changements d'orientation, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'estimation de l'orientation dans le plan d'un solide par rapport à l'autre solide, à partir des mesures d'au moinsdeux magnétomètres (11, 12) ayant chacun au moins deux axes de sensibilité chaque magnétomètre (11, 12) étant disposé respectivement sur un solide. 8. Procédé d'estimation conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits deux magnétomètres (11, 12) sont montés dans une position initiale de telle sorte que lesdits au moins deux axes de sensibilité desdits magnétomètres sont alignés deux à deux. 9. Dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide animé d'un mouvement de rotation dans un plan non horizontal, solide équipé d'au moins un capteur sensible aux changements d'orientation, caractérisé en ce que le capteur (11, 12 ; 21) est un capteur sensible à un champ magnétique et ayant au moins deux axes de sensibilité. 10. Dispositif d'estimation conforme à la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, un capteur d'accélération (22) du mouvement du solide. 11. Dispositif d'estimation conforme à l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il est adapté à mettre en oeuvre le procédé d'estimation conforme à l'une des revendications 1 à 6.