Brevet FR2912813A1 — publié le 20080822

MESURE MAGNETIQUE DE LA CADENCE ET DE L'ORIENTATION DU MOUVEMENT D'UN OBJET DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine des objets communicants et de la métrologie magnétique appliquée à la capture de mouvement sportif, médical ou industriel. Elle concerne en particulier la mesure du mouvement périodique (ou pseudopériodique) d'un objet, et elle peut permettre la mesure conjointe de l'orientation et de la cadence, ou périodicité, du mouvement périodique (ou pseudopériodique) d'un objet. Ce type de mesure se rencontre par exemple lorsqu'on souhaite mesurer, à la fois, le cap, par rapport au Nord magnétique, et la cadence du mouvement d'un objet, par exemple la cadence de marche du pied d'une personne. Aujourd'hui de nombreux objets deviennent intelligents via l'insertion d'éléments électroniques réalisant certaines fonctions de communication avec l'environnement. Dans le domaine du sport, par exemple, des chaussures équipées réalisent des fonctions très simples, comme par exemple l'allumage de LEDs, à intervalles réguliers ou lorsque le pied effectue une certaine action (marche, course ou saut). Dans le domaine de la santé, la sédentarité caractéristique de nos styles de vie entraîne un intérêt croissant pour la marche à pied. De nombreuses personnes utilisent quotidiennement un podomètre pour évaluer leur exercice. Cet appareil estime la distance parcourue journellement ou dans un intervalle de temps donné, et en déduit le niveau d'activité physique de son porteur. La plupart des systèmes utilisés dans les podomètres sont constitués d'accéléromètres. Ces capteurs fournissent un signal d'accélération périodique avec le mouvement de marche. Des traitements plus ou moins sophistiqués permettent de détecter et de compter les pas (et de remonter ainsi à la distance parcourue par calibration préalable de la longueur du pas) ou d'estimer la longueur du pas en temps réel. Dans le document US 5 583 776 on exploite le signal d'un accéléromètre placé verticalement au niveau du pied, via des traitements de types seuillage et/ou analyse fréquentielle, pour estimer la distance parcourue. Ce dispositif, couplé avec un compas ou un GPS, forme un système de navigation basé sur la marche. Une mesure d'accélération est une grandeur liée au champ de gravitation terrestre et à la vitesse du mouvement. D'autres traitements s'attachent donc à isoler, avec plus ou moins de succès, l'accélération propre au mouvement, puis intègrent le signal pour remonter à la distance (avec les risques de dérive qu'engendre la double intégration). Si elle est très sensible à la vitesse du mouvement et à toutes les vibrations que subit le capteur pendant le mouvement, l'allure du signal accélérométrique ne dépend pas de la direction de la marche. Le système est donc intrinsèquement robuste vis-à-vis du cap suivi par le marcheur. En contrepartie, le cap n'est pas accessible via ce type de mesure. Une mesure de magnétométrie correspond en revanche à la projection du champ magnétique terrestre sur l'axe sensible du capteur : elle est donc liée à la trajectoire que parcourt le capteur dans le champ magnétique ambiant. Pour un mouvement de marche ou de course, l'allure du signal périodique ne dépend plus de la vitesse du mouvement ou de la dureté du sol mais elle change en fonction de l'orientation du cap du capteur. Les magnétomètres sont, de ce fait, couramment employés pour estimer le cap, mais jamais pour estimer le nombre de pas ou la distance parcourue à partir du champ magnétique terrestre. Certaines inventions, et notamment celle décrite dans US 6 132 391, utilisent des magnétomètres pour déterminer la direction de la marche, souvent accompagnés de système de positionnement global (type GPS). D'autres travaux mentionnent l'utilisation d'une mesure magnétique pour remonter à la distance parcourue, mais ces systèmes font tous intervenir une source magnétique complémentaire, placée dans une première chaussure, et un capteur magnétique situé dans la deuxième chaussure pour limiter la variabilité du signal. Les traitements mis en oeuvre sont ensuite plus ou moins complexes (seuillages, calibration) pour estimer le nombre de pas, la longueur de la foulée et la distance parcourue, comme décrit par exemple dans WO 2005/034751. Pour fournir à la fois le nombre de pas (ou la distance parcourue grâce, par exemple, à une calibration préalable de la longueur du pas), et le cap, les inventions précédentes nécessitent l'utilisation de deux types de mesures (accéléromètres et magnétomètres). Pour résumer, on connaît donc des méthodes de mesure de distance à l'aide d'accéléromètres. On connaît par ailleurs l'utilisation de systèmes magnétiques invasifs avec une source magnétique devant être implantée dans un objet, sur des objets en mouvement pour obtenir des caractéristiques du mouvement (distance, vitesse,...). Les mesures obtenues avec ces techniques connues nécessitent les deux types de capteurs pour obtenir les deux types de mesures, distance et cap. EXPOSÉ DE L'INVENTION Un procédé de mesure de la cadence du mouvement répétitif d'un objet comporte, selon l'invention, les étapes suivantes : - mesurer, de préférence en continu, la projection du champ magnétique terrestre sur un axe d'un magnétomètre situé sur l'objet en mouvement ; - détecter la période du signal correspondant à la mesure. L'invention ne met donc pas en oeuvre de podomètre ni d'accéléromètre. Un seul axe peut donc être utilisé pour déterminer la période ou la cadence d'un mouvement répétitif. Selon l'invention on détecte la période ou la fréquence du mouvement, qui contient l'information sur la cadence du mouvement étudié. On peut ensuite éventuellement remonter à la distance parcourue. L'invention propose en outre de résoudre le problème de l'obtention de deux types de mesures, distance et cap, de façon simplifiée en utilisant deux (ou trois) capteurs ou axes magnétiques pour déterminer au moins la cadence du mouvement (T), sans utiliser aucune information provenant de moyens tels qu'un accéléromètre ou un podomètre. A partir de cette donnée de cadence on peut extraire le nombre de périodes. Avantageusement un procédé selon l'invention comporte donc une étape supplémentaire de mesure du cap. Selon l'invention, on utilise alors le signal fourni par un magnétomètre à au minimum deux axes. Le fait d'exploiter directement le champ magnétique terrestre donne accès au cap du mouvement. Le même magnétomètre peut donc être aussi utilisé pour détecter le cap. Quel que soit le mode de réalisation de l'invention un traitement adaptatif permet de s'affranchir de la variabilité du signal magnétique pour déterminer la cadence. Selon l'invention on équipe l'objet mobile d'un capteur de champ magnétique, par exemple biaxe ou triaxe si on veut obtenir à la fois les informations de fréquence ou de période ou de distance, et de cap. Une unité de traitement permet de traiter le signal délivré par ce capteur. Le capteur et l'électronique associée peuvent bénéficier des avantages de réduction de taille associés aux techniques de microtechnologie. Ainsi un système selon l'invention peut être inséré dans de nombreux objets mobiles pour les doter de deux fonctionnalités : mesure de cadence de leur propre mouvement et éventuellement mesure de leur orientation par rapport au Nord magnétique. Par exemple, le système selon l'invention peut être inséré dans le talon d'une chaussure de sport pour fournir le cap et la cadence de la marche (ou de la course), ou encore dans le manche d'avirons pour déterminer la cadence de chaque rame et synchroniser plusieurs rameurs. Le système selon l'invention peut communiquer ses informations (mesures brutes ou prétraitées) à une unité d'affichage, par lien radio ou autre. L'invention concerne également un dispositif de mesure de cadence d'un mouvement répétitif d'un objet caractérisé en ce qu'il comporte un magnétomètre. Avantageusement ce magnétomètre est apte à mesurer le cap. L'invention présente plusieurs avantages : - Le système de mesure selon l'invention est simple et peu gourmand en énergie, car il utilise un magnétomètre (pas d'autres types de capteurs, tels qu'un accéléromètre ou un GPS), par exemple biaxe. - Le système de mesure de la cadence selon l'invention ne nécessite aucune calibration au préalable. - Ce système est facile à mettre en oeuvre car il exploite le champ magnétique ambiant et il ne requiert donc pas de source magnétique artificielle ; en outre, il peut être connecté à un émetteur radio miniaturisé, et il peut rester compact et équiper tout type d'objet. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - La Figure 1 illustre l'utilisation d'un dispositif selon l'invention lors d'essais sur une chaussure. - La Figure 2 illustre une unité de calcul 15 et d'affichage lors de la mise en oeuvre d'un dispositif selon l'invention. - La Figure 3 illustre l'allure des trois composantes du champ magnétique pendant une marche. - La Figure 4 illustre l'estimation de la 20 cadence de marche sur plusieurs pas d'un marcheur, par auto-corrélation d'un signal magnétique. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention va d'abord être décrite dans le cadre d'une application à une chaussure, en liaison 25 avec la figure 1, ici la chaussure d'une personne pratiquant un exercice sur une machine du type de celles utilisées dans les salles de sport. En première approximation, un capteur magnétique 2 (de type fluxgate ou GMR par exemple) mesure la projection du champ magnétique terrestre sur son axe sensible. Etant fixé à l'objet 4, le capteur suit le mouvement périodique de cet objet. Des moyens 6 permettent d'acquérir les données du capteur et, éventuellement, de les transmettre, par exemple par liaison sans fil, à des moyens 8 de traitement et de mémorisation. De tels moyens 8 de traitement sont représentés sur la figure 2. Ils comportent une unité centrale 80, qui va permettre de réaliser des calculs sur les données reçues, et de mémoriser lesdites données ainsi que les calculs effectués. Une unité d'affichage 82 permet d'afficher des données telles que les données reçues, par exemple sous forme de graphiques tels que celui de la figure 3, ou des données calculées, telles que celles affichées en exemple sur la figure 2, par exemple les colonnes de 820 et 822. Les données contenues dans ces deux colonnes correspondent respectivement, dans le cadre d'une application à une chaussure, à des données d'orientation et à des données de cadence de la marche ou du déplacement d'un utilisateur. Le traitement des données peut aussi être effectuée par une unité de calcul portable type processeur, ou DSP, etc.... En variante, une partie au moins du ou des traitements peut être réalisée par des moyens 6 portés par l'utilisateur de la figure 1. Dans ce cas, l'unité 80 est soulagée d'une partie au moins des traitements. Le champ, mesuré par les moyens 2, présente un motif périodique (ou pseudo-périodique, à cadence lentement variable) ou au moins une composante variable. Ce motif ou cette composante variable correspond aux variations de la projection du champ terrestre vu par le capteur en mouvement (voir figure 3). Il peut être entaché d'un niveau de bruit dépendant des parasites électromagnétiques environnants. On peut extraire de cette mesure la cadence du mouvement et l'orientation du capteur. Une technique d'analyse fréquentielle utilisée peut être mise en oeuvre par les moyens 80 (figure 2) de réception et de traitement des données reçues après transmission par les moyens 6. Un dispositif et un procédé selon l'invention ne met en oeuvre aucun dispositif supplémentaire, tel qu'un podomètre ou un capteur de type accéléromètre. Le podomètre mesure un nombre de pas en comptant des impulsions, par exemple détectés par seuillage. Il est difficile d'appliquer ce principe à un magnétomètre car ses signaux varient en amplitude avec le cap. On utilise donc des techniques qui s'affranchissent de cette variabilité, par exemple des techniques d'analyses fréquentielles, qui permettent de déterminer une cadence à partir d'un signal périodique (traitement par FFT tel que décrit par exemple dans US 5 583 776, ou par filtre adapté, ou par ondelettes par exemple). Le signal peut être comparé en continu à un modèle : ce modèle est soit, par exemple, formulé mathématiquement, soit constitué du signal lui-même à un instant précédent. Un exemple d'application de l'invention à la marche avec un traitement à base d'autocorrélations sur fenêtre glissante fournit les résultats illustrés en figure 4. Le principe de ce traitement est basé sur la propriété suivante de l'autocorrélation d'un signal périodique : l'autocorrélation présente des maxima à la même cadence que le signal quelle que soit l'allure du motif périodique du signal. Pour déterminer la période on mesure l'instant non nul correspondant au premier maximum de la fonction de corrélation. Plus précisément, on sélectionne une longueur de signal L contenant au moins 4 périodes, puis on calcule son autocorrélation ; on repère par fenêtrage et seuillage le temps correspondant au premier maximum : ceci fournit une première estimation de la cadence. Cette estimation est ensuite utilisée pour déterminer une nouvelle longueur L', calculée de façon à ce que L' soit supérieure à 4 fois la cadence. Le procédé de calcul décrit ci-dessus est ensuite appliqué. Ce procédé d'estimation de la cadence est donc bouclé: on utilise la dernière estimation de la période pour déterminer la longueur du signal utile au calcul de la suivante. Cette technique permet de s'affranchir de l'allure de la marche. En figure 4 apparaît la périodicité du mouvement en fonction du nombre de foulées, c'est-à-dire en fonction de l'écoulement du temps. On identifie bien des rythmes de marche rapide, alternés avec des rythmes de marche lente. Là encore, un traitement d'autocorrélation peut être mis en oeuvre par les moyens 80 illustrés sur la figure 2. L'autocorrélation n'utilise pas de modèle mathématique de la forme du signal. Si la fenêtre d'observation est assez longue, le caractère périodique du signal domine les variations d'allure liées au cap et l'autocorrélation fournit une bonne estimation de la cadence, indépendamment du cap. Utilisée sur une fenêtre d'observation assez longue, l'invention permet de s'affranchir des variations d'allure du signal liées au cap. Quant à l'orientation du capteur, il s'agit de l'angle entre la composante horizontale du champ magnétique et le Nord géographique. Cet angle peut être déterminé à partir des trois mesures de champ d'un capteur triaxe, ou des deux mesures de champ d'un capteur biaxe placé parallèlement au pied en repérant (par exemple par seuillage) la plage temporelle correspondant à la position horizontale du pied, par exemple par seuillage des signaux Bx et By de la figure 3 : elle correspond à la zone de pente la plus douce des deux signaux. Le système de base décrit dans l'invention peut être enrichi afin de fournir des fonctions complémentaires, qui peuvent, elles aussi, être mises en oeuvre par les moyens 80 de la figure 2. Par exemple, une fonction compteur peut être réalisée: la détermination de la cadence T permet de compter le nombre d'occurrence du mouvement périodique N. Par exemple dans le cas de la marche, on dénombre un pas par période. Dans le cas de l'aviron, l'invention permet de compter le nombre de coups de rame des rameurs. Une fonction podomètre peut être réalisée à partir de la connaissance du nombre d'occurrences du mouvement N qui permet, après calibration par l'utilisateur, de déterminer une caractéristique particulière du mouvement. Par exemple pour la course, on fournit la distance parcourue D à partir d'une longueur de foulée calibrée L : D = N * L. La longueur de la foulée L est un paramètre entré par l'utilisateur ou calculé lors d'une phase de calibration de l'appareil (marche régulière pratiquée sur une distance prédéterminée et connue). L'invention peut donc constituer un podomètre pour cette application. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la période, ou de la fréquence, du mouvement répétitif d'un objet, comportant les étapes suivantes : - mesurer au moins une composante variable de la projection du champ magnétique terrestre sur un axe d'un magnétomètre lié à, ou situé sur, l'objet en mouvement ; -détecter la période, ou la fréquence, du signal correspondant à la mesure. 2. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre une étape supplémentaire de mesure 15 du cap du mouvement. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, la mesure de la projection du champ magnétique terrestre étant faite en continu. 20 4. Procédé selon la revendication 3, comportant un traitement des mesures de projection du champ magnétique terrestre, ce traitement comportant une étape de comparaison du signal mesuré à un modèle 25 mathématique ou au signal mesuré à un instant précédent. 5. Procédé selon la revendication 4, la comparaison étant réalisé autocorrélation, ou par FFT, 30 ou par filtre adapté, ou par ondelettes. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel on met en oeuvre un procédé bouclé d'estimation, en utilisant la dernière estimation de la période pour déterminer la longueur du signal utile au calcul de la suivante. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, comportant en outre une étape de détermination du nombre d'occurrence du mouvement répétitif à partir de la période (T). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel une source magnétique est disposée à proximité de l'objet mobile, et comportant une estimation de la trajectoire relative de l'objet, en position et/ou en attitude, par rapport à cette source. 9. Procédé selon la revendication 8, l'estimation de la trajectoire relative de l'objet mettant en oeuvre une inversion de mesure magnétique par optimisation, ou filtre de Kalman. 10. Dispositif de mesure de cadence d'un mouvement répétitif d'un objet caractérisé en ce qu'il comporte un magnétomètre (2), sans podomètre ni capteur de type accéléromètre. 11. Dispositif selon la revendication 10, comportant en outre des moyens de mesure du cap à 30 partir des données de magnétométrie. 5 10 12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, comportant en outre des moyens (6) de communication des données du magnétomètre à une unité de traitement et/ou d'affichage. 13. Dispositif selon la revendication 12, comportant des moyens (6) de communication radio des données du magnétomètre à ladite unité de retraitement et/ou d'affichage. 14. Chaussure comportant un dispositif selon l'une des revendications 11 à 13. 15. Aviron comportant un dispositif selon 15 l'une des revendications 11 à 14.