Brevet FR2943554A1 — publié le 20101001

Système et procédé d'observation d'une activité de nage d'une personne La présente invention porte sur un système et un procédé d'observation d'une activité de nage d'une personne. Il existe des systèmes pour calculer la distance nagée à partir de mesures transmises par un capteur de mouvement lié au nageur, tel que celui divulgué dans le document WO 2004/038336 (Clothing Plus OY). Toutefois de tels systèmes effectuent uniquement une observation ou un suivi quantitatif de l'activité de nage d'une personne, en aucun cas une analyse qualitative des types de nage pratiqués. La présente invention vise à permettre une analyse d'une activité de nage d'une personne, permettant de différencier les types de nages effectués au cours du temps, ce qui peut être particulièrement utile à un nageur soucieux de surveiller ses progrès et son entraînement, par exemple en vue de compétitions. Aussi, il est proposé, selon un aspect de l'invention, un système d'observation d'une activité de nage d'une personne, comprenant un boîtier étanche comprenant un capteur de mouvement, et muni de moyens de fixation pour lier solidairement le boîtier à une partie du corps d'un utilisateur. Le système comprend des moyens d'analyse des signaux transmis par le capteur de mouvement à au moins un axe de mesure adaptés pour déterminer le type de nage de l'utilisateur en fonction du temps en utilisant un modèle de Markov caché à N états correspondant respectivement à N types de nages. Il est ainsi possible, d'analyser, au cours du temps, les différents types de nage pratiqués par l'utilisateur du système. Ce dernier, ou une autre personne peut ainsi observer les évolutions et progrès du nageur, et faire des statistiques comparatives entre différentes séances de nage, ou au sein d'une même séance. Dans un mode de réalisation, ledit capteur de mouvement comprend un accéléromètre ou un gyromètre ou un magnétomètre. Selon un mode de réalisation, le système comprend, en outre, un 35 filtre passe-bas de fréquence de coupure comprise entre 0.5 Hz et 5 Hz. Dans un mode de réalisation, lesdits moyens de fixation sont adaptés pour lier solidairement le boîtier au poignet, à la cheville, au cou ou à la tête de l'utilisateur. Ainsi le système peut limiter les bruits générés par les chocs 5 mesurés tels les chocs mesurés lorsque la main portant le boîtier étanche entre dans l'eau. Dans un mode de réalisation, la densité de probabilité pjx(n)) de correspondance entre les signaux délivrés par le capteur de mouvement et un état du modèle de Markov caché représentant un type de nage est définie 10 par l'expression suivante : 2 ,1Z7rIEI dans laquelle : x(n} représente le vecteur colonne de composantes les mesures axiales du capteur de mouvement à l'échantillon d'indice n ; 15 ,u représente un vecteur colonne au nombre de composantes le nombre d'axes de mesure du capteur de mouvement, représentatif de l'état du modèle de Markov caché correspondant à ladite nage ; et IE représente la valeur absolue du déterminant d'une matrice diagonale E de dimension le nombre d'axes de mesure du capteur de mouvement 20 représentative de l'état du modèle de Markov caché correspondant à ladite nage. L'utilisation d'un tel modèle de Markov caché, permet de distinguer précisément le type de nage pratiqué. Selon un mode de réalisation, les moyens d'analyse sont adaptés 25 pour déterminer le type de nage de l'utilisateur parmi un ensemble d'au moins deux nages parmi la brasse, le crawl, le papillon, et le dos crawlé. Ainsi, l'invention permet de distinguer toute nage parmi ces nages classiques. Par exemple, ledit capteur de mouvement comprenant un 30 accéléromètre triaxial et le boîtier étanche étant lié solidairement au poignet de l'utilisateur, les trois axes dudit accéléromètre, formant un trièdre orienté direct, sont tels que : - le premier axe a pour direction l'axe longitudinal de l'avant bras du poignet auquel est lié le boîtier et est orienté vers le coude ;et - le troisième axe est vertical orienté vers le bas, lorsque l'avant-bras du poignet auquel est lié le boîtier est dans un plan horizontal, la paume de la main du poignet auquel est lié le boîtier étant dirigée vers le bas, et ledit boîtier étant disposé sur la face externe du poignet. Dans un mode de réalisation, pour la brasse, les trois composantes ,ul,,u2,,u3 du vecteur colonne ,u sont telles que ,ul E [ù0.45;ù0.20], ,u2 E [ù0.1;0.5], et ,u3 E [ù0.8;0.45], et les trois composantes diagonales E1,E2,E3de la matrice diagonale E sont telles que EUE [0.1,0.18], E2 E [0.2;0.6], et E3 E [0.03;0.2]. Selon un mode de réalisation, pour le crawl, les trois composantes 1u1,,u2,,u3 du vecteur colonne ,u sont telles que ,ul E [ù0.7;ù0.8], ,u2 e [ù0.25;ù0.45], et ,u3 e [ù0.4;0.2], et les trois composantes diagonales E1,E2,E3de la matrice diagonale E sont telles que El e [0.2;0.3], E2 E [0.1;0.3], et E3 E [0.07;0.5]. Dans un mode de réalisation, pour le papillon, les trois composantes ,ul,,u2,,u3 du vecteur colonne ,u sont telles que ,ul [ù0.8;0.1], ,u2 e [ù0.45;0.5], et ,u3 [ù0.2;0.4], et les trois composantes diagonales E1,E2,E3de la matrice diagonale E sont telles que El e [0.2;0.4], E2 E [0.1;0.5], et E3 e [0.2;0.8]. Selon un mode de réalisation, pour le dos crawlé, les trois composantes ,ul,,u2,,u3 du vecteur colonne ,u sont telles que ,ul [ù0.2;0.1], ,u2 e [0.3;0.7], et ,u3 E [ù0.05;0.4], et les trois composantes diagonales E1,E2,E3de la matrice diagonale E sont telles que El e [0.2;0.4], E2 E [0.1;0.5], et E3 E [0.2;0.8]. Dans un mode de réalisation, les probabilités P, dudit modèle de Markov caché, de passage entre deux états représentant respectivement un type de nage sont telles que : P(étati,état1)E [0.8;0.9999], lorsque i est différent de j; et P(étati,état1)E [0.0001;0.2], lorsque i est égal à j Ainsi, la précision du système est améliorée. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens d'analyse sont internes ou externes au boîtier, et l'accéléromètre triaxial comprend des moyens de transmission avec ou sans fil pour transmettre ses mesures auxdits moyens d'analyse. Ainsi, de nombreux modes de réalisation peuvent être envisagés. Dans un mode de réalisation, le système comprend des moyens d'affichage fixés au boîtier et/ou des moyens d'affichages distants. Ainsi, les résultats d'analyse de l'activité de nage de l'utilisateur peuvent être visualisés par le nageur directement, ou bien analysés et visualisés sur un plus grand écran externe, par exemple d'un ordinateur portable qui peut comprendre les moyens d'analyse. Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un procédé d'observation d'une activité de nage d'une personne, à partir de mesures transmises par par capteur de mouvement fixé de manière étanche à une partie du corps de l'utilisateur, caractérisé en ce que l'on analyse les signaux transmis par le capteur de mouvement à au moins un axe de mesure pour déterminer le type de nage de l'utilisateur en fonction du temps en utilisant un modèle de Markov caché à N états correspondant respectivement à N types nages. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : les figures 1 et 2 illustrent deux modes de réalisation de systèmes selon un aspect de l'invention ; et les figures 3 et 4 illustrent deux exemples de résultat d'un système selon un aspect de l'invention. Dans l'ensemble de figures, les éléments ayants les mêmes références sont similaires. Dans les exemples qui suivent, le capteur de mouvement comprend un accéléromètre triaxial, mais l'invention s'applique à un capteur de mouvement comprenant un gyromètre ou un magnétomètre. Tel qu'illustré sur la figure 1, le système d'observation d'une activité de nage d'une personne comprend un boîtier étanche BET comprenant un accéléromètre triaxial AT. Le système comprend des moyens de fixation pour lier solidairement le boîtier à une partie du corps d'un utilisateur, en particulier au poignet, à la cheville, au cou ou à la tête d'un utilisateur, en l'occurrence au moyen d'un bracelet élastique BEL. Le système comprend un module d'analyse AN des signaux transmis par l'accéléromètre triaxial AT adaptés pour déterminer le type de nage de l'utilisateur en fonction du temps en utilisant un modèle de Markov caché à N états correspondant respectivement à N types de nages. Le système comprend également un filtre passe-bas FPB optionnel, de fréquence de coupure comprise entre 0.5Hz et 5Hz, permettant de limiter les bruits générés par les chocs mesurés, notamment lorsque la main portant le boîtier étanche entre dans l'eau. Un écran d'affichage optionnel AFFB fixé au boîtier BET, peut permettre à l'utilisateur du système de visualiser les résultats d'une manière appropriée à la taille réduite de l'écran. Le module d'analyse AN peut également transférer, en temps réel ou en différé, par une liaison filaire ou sans fil, les résultats à afficher à un ordinateur comprenant un écran de taille bien supérieure, permettant une visualisation améliorée des résultats. Bien entendu, le module d'analyse comprend une mémoire pour mémoriser les résultats, notamment afin de pouvoir les transmettre en différé si nécessaire. En variante, tel qu'illustré sur la figure 2, le module d'analyse AN est extérieur au boîtier étanche BET, il est par exemple embarqué sur un ordinateur portable OP. Dans la suite de la description, l'exemple nullement limitatif traité, est un système selon un aspect de l'invention, dans lequel le module d'analyse AN est adapté pour déterminer le type de nage de l'utilisateur en fonction du temps en utilisant un modèle de Markov caché à 3 états (N=3) correspondant respectivement à la brasse (état 1), le crawl (état 2) et le dos crawlé (état 3). Dans cet exemple, les trois signaux émis par l'accéléromètre triaxial AT, correspondant respectivement aux accélérations mesurée sur chacun des trois axes de mesure, sont acquis à une fréquence de 200 Hz, puis découpés en intervalles de temps successifs de 0,5 s sur lesquels une moyenne est calculée. Ainsi on obtient un signal échantillonné à 2 Hz en entrée du module d'analyse AN. Ces signaux sont notés sous forme d'un vecteur à trois dimensions : x(n)= [xi(n),xz(n),x3(n)]T , dans lequel n représente l'indice de l'échantillon à la fréquence de 2 Hz, et x1, x2, et x3 représentent les valeurs 35 des signaux correspondant aux trois axes de mesure. Pr(r(n}) _ 2 ,12~1z1 dans laquelle : x(n) représente le vecteur colonne de composantes les trois mesures axiales de l'accéléromètre triaxial à l'échantillon d'indice n ; ,u représente un vecteur colonne à trois composantes, représentatif de l'état du modèle de Markov caché correspondant à ladite nage ; et ~0 IE~ représente la valeur absolue du déterminant d'une matrice diagonale E de dimension 3 représentative de l'état du modèle de Markov caché correspondant à ladite nage. Dans cet exemple, les trois axes de l'accéléromètre AT, forment un trièdre orienté direct, et sont tels que : 15 le premier axe a pour direction l'axe longitudinal de l'avant bras du poignet auquel est lié le boîtier BET et est orienté vers le coude ;et le troisième axe est vertical orienté vers le bas, lorsque l'avant-bras du poignet auquel est lié le boîtier BET est dans un plan horizontal, la paume de la main du poignet auquel est lié le boîtier BET étant dirigée 20 vers le bas, et ledit boîtier BET étant disposé sur la face externe du poignet. Les trois nages de l'exemple considéré sont définies avec les paramètres suivants : - la brasse (état 1 du modèle de Markov caché) : La densité de probabilité Px du vecteur x(n) est approximée par une loi Gaussienne de dimension 3, dont les paramètres dépendent du type de nage considéré : (l()ùNYE �x(n)ùu) 1 ,u = [ù 0.3; 0; -0.70]r et 1= 0.05 0 0 0 0.30 0 0 0 0.10 25 - le crawl (état 2 du modèle de Markov caché) : = [ù 0.765; ù 0335; ù 0.4595]T et 1=0.20 0 0 0 0.15 0 0 0 0.10 - le dos crawlé (état 3 du modèle de Markov caché) : ,u=[-0.10; 0.40;0] et E= 0.20 0 0 0 0.20 0 0 0 0.50 Les densités de probabilités de passage P(état; / état]) d'un état état; correspondant à une nage du modèle de Markov caché à un autre état étau correspondant à une nage du modèle de Markov caché sont les suivantes, choisies de manière à assurer une bonne stabilité au système : P(état; / état]) état;=1 (brasse) état;=2 (crawl) état;=3 (dos crawlé) étau=1 (brasse) 0.999 0.0005 0.0005 étau=2 (crawl) 0.0005 0.999 0.0005 étau=3 (dos crawlé) 0.0005 0.0005 0.999 Le module d'analyse AN détermine, à partir des signaux d'entrée et du modèle de Markov caché tel que défini, la séquence d'états (nages) la plus probable, selon des procédés classiques, par exemple en calculant pour l'ensemble des séquences d'états possibles la probabilité associée compte tenu du signal observé et en gardant la séquence la plus probable, tels que décrits par exemple dans le document "An introduction to hidden Markov models" de L.R. Rabiner et B.H. Juang, IEEE ASSP Magazine, January 1986, ou dans le livre "Inference in Hidden Markov Models" de Cappé, Moulines et Ryden de Springer, de la série "Springer series in statisctics". La figure 3 illustre un exemple d'enregistrement d'une séance de nage d'un utilisateur du système, sur le graphique inférieur, et le résultat fourni par le système qui indique que le nageur a nagé le crawl pendant 30 secondes, puis la brasse pendant 33 secondes, puis le dos crawlé pendant 37 secondes. La figure 4 illustre un autre exemple d'enregistrement d'une séance de nage d'un utilisateur du système, sur le graphique inférieur, et le résultat fourni par le système qui indique que le nageur a nagé le crawl pendant 26 secondes, puis la brasse pendant 66 secondes, puis le dos crawlé pendant 38 secondes. La présente invention permet, à coût réduit, de permettre à un nageur d'enregistrer et de suivre en temps réel ou en différé sa séance de nage, en déterminant avec précision les enchaînements de nage qu'il a faits pendant sa séance. REVENDICATIONS1. Système d'observation d'une activité de nage d'une personne, comprenant un boîtier étanche (BET) comprenant un capteur de mouvement (CM), et muni de moyens de fixation (BEL) pour lier solidairement le boîtier (BET) à une partie du corps d'un utilisateur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'analyse (AN) des signaux transmis par le capteur de mouvement (CM) à au moins un axe de mesure adaptés pour déterminer le type de nage de l'utilisateur en fonction du temps en utilisant un modèle de Markov caché à N états correspondant respectivement à N types de nages. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel ledit capteur de mouvement (CM) comprend un accéléromètre ou un gyromètre ou un magnétomètre. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, comprenant, en outre, un filtre passe-bas (FPB) de fréquence de coupure comprise entre 0.5 Hz et 5 Hz. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel lesdits moyens de fixation (BEL) sont adaptés pour lier solidairement le boîtier (BET) au poignet, à la cheville, au cou ou à la tête de l'utilisateur. 25 5. Système selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la densité de probabilité pT(x(n)) de correspondance entre les signaux délivrés par le capteur de mouvement (CM) et un état du modèle de Markov caché représentant un type de nage est définie par l'expression 30 suivante : 1 (T(ä}-k Y E (.1( )-N) dans laquelle : e,u représente un vecteur colonne au nombre de composantes le nombre d'axes de mesure du capteur de mouvement (CM), représentatif de l'état du modèle de Markov caché correspondant à ladite nage ; et E représente la valeur absolue du déterminant d'une matrice diagonale E de dimension le nombre d'axes de mesure du capteur de mouvement (CM) représentative de l'état du modèle de Markov caché correspondant à ladite nage. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, dans lequel les moyens d'analyse (AN) sont adaptés pour déterminer le type de nage de l'utilisateur parmi un ensemble d'au moins deux nages parmi la brasse, le crawl, le papillon, et le dos crawlé. 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel, ledit capteur de mouvement (CM) comprenant un accéléromètre triaxial (AT) et le boîtier étanche (BET) étant lié solidairement au poignet de l'utilisateur, les trois axes dudit accéléromètre (AT), formant un trièdre orienté direct, sont tels que : - le premier axe a pour direction l'axe longitudinal de l'avant bras du poignet auquel est lié le boîtier (BET) et est orienté vers le coude ;et - le troisième axe est vertical orienté vers le bas, lorsque l'avant-bras du poignet auquel est lié le boîtier (BET) est dans un plan horizontal, la paume de la main du poignet auquel est lié le boîtier (BET) étant dirigée vers le bas, et ledit boîtier (BET) étant disposé sur la face externe du poignet. 10. Système selon la revendication 7, dans lequel, pour la brasse, les trois composantes ,ul,,u2,,u3 du vecteur colonne ,u sont telles que ,ul [ù0.45;ù0.20], ,u2 E [ù0.1;0.5], et ,u3 E [ù0.8;0.45], et les trois composantes diagonales E1,E2,E3de la matrice diagonale E sont telles que El e [0.1,0.18], E2 E [0.2;0.6], et E3 E [0.03;0.2]. 11. Système selon la revendication 7 ou 8, dans lequel, pour le crawl, les trois composantes ,ul,,u2,,u3 du vecteur colonne ,u sont telles que ,ul [ù0.7;ù0.8], ,u2 E [ù0.25;ù0.45], et ,u3 [ù0.4;0.2], et les troiscomposantes diagonales E1,E2,E3de la matrice diagonale Esont telles que El e [0.2;0.3], E2 E [0.1;0.3], et E3 E [0.07;0.5]. 10. Système selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel, pour le papillon, les trois composantes ,u1,,u2,,u3 du vecteur colonne ,u sont telles que ,ul [ù0.8;0.1], ,u2 E [ù0.45;0.5], et ,u3 E [ù0.2;0.4], et les trois composantes diagonales E1,E2,E3de la matrice diagonale E sont telles que El e [0.2;0.4], E2 E [0.1;0.5], et E3 E [0.2;0.8]. 11. Système selon l'une des revendications 7 à 10, dans lequel, pour le dos crawlé, les trois composantes ,u1,,u2,,u3 du vecteur colonne ,u sont telles que ,ul [ù0.2;0.1], ,u2 E [0.3;0.7], et ,u3 E [ù0.05;0.4], et les trois composantes diagonales E1,E2,E3de la matrice diagonale E sont telles que El e [0.2;0.4], E2 E [0.1;0.5], et E3 E [0.2;0.8]. 12. Système selon l'une des revendications 7 à 11, dans lequel les probabilités P, dudit modèle de Markov caché, de passage entre deux états représentant respectivement un type de nage sont telles que : P(étati,état1)E [0.8;0.9999], lorsque i est différent de j; et P(étati,état1 )E [0.0001;0.2], lorsque i est égal à j. 13. Système selon l'une des revendications 7 à 12, dans lequel lesdits moyens d'analyse (AN) sont internes ou externes au boîtier (BET), et l'accéléromètre triaxial (AT) comprend des moyens de transmission avec ou sans fil pour transmettre ses mesures auxdits moyens d'analyse (AN). 14. Système selon l'une des revendications 7 à 13, comprenant, en outre, des moyens d'affichage (AFFB) fixés au boîtier et/ou des moyens d'affichages distants (AFFD). 15. Procédé d'observation d'une activité de nage d'une personne, à partir de mesures transmises par un par capteur de mouvement (CM) fixé de manière étanche à une partie du corps de l'utilisateur, caractérisé en ce que l'on analyse les signaux transmis par lecapteur de mouvement (CM) à au moins un axe de mesure pour déterminer le type de nage de l'utilisateur en fonction du temps en utilisant un modèle de Markov caché à N états correspondant respectivement à N types nages.5