Brevet FR3048868A1 — publié le 20170922

La présente invention concerne d'une façon générale les systèmes et procédés pour déterminer des paramètres d'exercice sportif. Elle concerne plus précisément un dispositif et un procédé pour déterminer les paramètres d'une foulée d'un coureur. Les fabricants d'équipements de loisirs tels que les casques audio adap- tés à la pratique sportive cherchent aujourd'hui à enrichir les fonctionnalités de tels casques au-delà de la simple écoute de musique. Ainsi par exemple le casque Zik Sport proposé par la Demanderesse permet de fournir à l'utilisateur, par une interface utilisateur appropriée en communication avec le casque, des paramètres physiologiques et des pa- ramètres relatifs à la couse. Il est connu de doter de tels casques de capteurs de mouvement, comprenant typiquement une centrale inertielle dotée d'un accéléromètre et d'un gyromètre, et de moyens de traitement des signaux délivrés par ces capteurs pour en dériver des informations relatives à la course, et en par- ticulier la cadence (nombre de foulées par minute) et l'oscillation verticale (amplitude du rebond). L'obtention d'autres données telles que le temps de contact au sol, ou inversement le temps de vol, sont également souhaitées. Dans son principe, la durée de contact au sol DuréeContactSol est définie à partir du temps de vol Durée Vol et de la durée d'une foulée DuréeFoulée par la relation suivante : DuréeContactSol = DuréeFoulée - Durée Vol Une difficulté si l'on cherche à déterminer cette durée avec précision réside en ce qu'il est nécessaire de connaitre les trajectoires précises de plusieurs points des pieds, de manière à établir les instants de début et de fin du contact des pieds avec le sol, et en déduire la durée de contact. Dans le cas où l'on cherche à effectuer cette détermination avec un équi- pement unique porté par exemple au niveau de la tête (typiquement un casque audio), sans instrumenter les pieds, il est bien évident que ces informations ne sont pas disponibles. La présente invention vise ainsi, à partir des seules données de capteurs de mouvement disponibles en un endroit du corps éloigné des pieds, et 3048868 2 typiquement la tête de l'utilisateur, de déduire de ces données des informations précises relatives aux instants auxquels les pieds quittent le sol et retrouvent le sol. L'invention propose à cet effet, selon un premier aspect, un dispositif pour 5 la détermination de paramètres de foulée d'une course à pied, compre- nant un accéléromètre apte à fournir un signal d'accélération verticale d'une région d'une région anatomique supérieure d'un coureur et un circuit de calcul, le circuit de calcul étant configuré pour déterminer un instant de début de vol à partir d'une pente d'évolution du signal d'accéléra- 10 tion verticale et pour déterminer une durée de vol à partir d'une informa- tion obtenue par intégration de l'accélération verticale. Ce dispositif comprend avantageusement mais facultativement les caractéristiques additionnelles suivantes, prises isolément ou en toutes combinaisons que l'homme du métier appréhendera comme étant technique- 15 ment compatibles : - le circuit de calcul est apte à déterminer une durée de vol à partir d'une information de position verticale obtenue par double intégration du signal d'accélération verticale. - le circuit de calcul est apte à déterminer une durée de vol à partir de 20 l'instant de début de vol et d'un instant de position verticale de plus grande altitude. - la durée de vol est déterminée comme étant égale au double de la différence entre les deux instants. - l'instant de début de vol est déterminé en tant qu'intersection entre une 25 droite ayant ladite pente d'évolution du signal d'accélération verticale avec une droite représentative d'une valeur d'accélération prédéterminée. - ladite valeur d'accélération prédéterminée est l'accélération de la pesanteur. 30 - le dispositif est assujetti aux mouvements de la tête du coureur. On propose également selon l'invention un casque audio, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif tel que défini ci-dessus. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé mis en oeuvre par un cir- cuit de calcul pour la détermination de paramètres de foulée d'une course 35 à pied à partir d'un signal d'accélération verticale d'une région anatomique 3048868 3 supérieure d'un coureur fourni par un accéléromètre, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - déterminer un instant de début de vol à partir d'une pente d'évolution du signal d'accélération verticale, et 5 - déterminer une durée de vol à partir d'une information obtenue par in- tégration de l'accélération verticale. Des caractéristiques additionnelles avantageuses mais facultatives de ce procédé sont les homologues de celles du dispositif, exprimées plus haut. 10 0 On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de la présente invention, en référence aux dessins annexés où les mêmes références désignent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnelle- 15 ment semblables. La Figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de casque audio susceptible d'abriter un dispositif selon l'invention et de mettre en oeuvre le procédé correspondant. La Figure 2 illustre un exemple d'une courbe de l'accélération verticale 20 d'un sujet, recueillie au niveau de la tête du sujet pendant qu'il court. La Figure 3 illustre à titre de comparaison une courbe d'accélération verticale pendant la course, recueillie au niveau du buste, et une courbe d'accélération verticale pendant la même course, recueillie au niveau de la tête. 25 La Figure 4 illustre graphiquement, sur la base de courbes du type de celles des Figures 2 et 3, une approche de base pour estimer un temps de vol avec une information d'accélérométrie recueillie au niveau de la tête. La Figure 5 illustre graphiquement une approche améliorée pour réaliser 30 cette estimation. La Figure 6 est un schéma par blocs des différentes étapes d'un procédé de calcul de la durée de vol estimée, réalisé au sein du casque de la Figure 1. 0 35 3048868 4 On va maintenant décrire un exemple de mode de réalisation de l'invention Sur la Figure 1, la référence 10 désigne de façon générale un casque équipé d'un dispositif de traitement pour détermination de durée de vol se- 5 Ion l'invention, casque qui comporte deux écouteurs 12 réunis par un élé- ment de liaison comprenant un arceau central 14 et deux branches 16. Les écouteurs 12 sont par exemple de type intra-auriculaire ou intraconque. Les deux branches 16 avec leurs écouteurs 12 sont semblables et symétriques. Chacune comporte à son extrémité proximale une liaison 10 20 articulée à l'arceau central 14. Du côté distal 22, chaque branche 16 porte un écouteur 12. D'autre part, la région médiane de chaque branche 16 supporte un boitier 40. Chaque boitier 40 contient divers éléments électriques ou électroniques, par exemple une ou plusieurs cartes de circuit imprimé 50 dans l'un des 15 boitiers, et une batterie rechargeable 52 dans l'autre boitier, les deux boi- tiers étant réunis via une liaison électrique (non représentée) parcourant l'arceau central 14. L'un des boitiers 40 (ici le boitier abritant le circuit imprimé 50) contient une centrale inertielle 54 dotée d'un accéléromètre 3-axes et d'un gyro- 20 mètre 3-axes, de façon connue en soi. Le circuit imprimé 50 possède des circuits de traitement des signaux délivrés par la centrale inertielle 54. À propos maintenant de la fonction d'estimation de la durée de vol objet de la présente invention, il est évident que dans le cas d'un objet indéformable, il est relativement facile de détecter les instants de début et de fin 25 de vol à partir des données d'accélération verticale. Ainsi, lorsqu'un tel ob- jet est en vol, c'est-à-dire en chute libre, il n'est soumis à aucune force mécanique autre que la pesanteur (en négligeant ici la résistance de l'air), et un accéléromètre délivre alors un signal nul ; en effet, avec les capteurs connus, la valeur statique de la pesanteur g est en général neutralisée, si 30 bien que l'accéléromètre sur l'axe vertical placé sur un objet en chute libre mesure 0.g (on notera ici que, dans le cas où l'accéléromètre 3-axes placé dans un des boitiers 40 possède - par exemple pour des raisons d'intégration dans l'espace réduit du boitier - un référentiel qui ne délivre pas directement la composante verticale dans le référentiel terrestre, le 3048868 5 circuit de traitement associé pourra assurer le calcul de changement de référentiel permettant d'obtenir cette composante verticale). Dans le cas d'un corps humain, qui s'écarte bien entendu significative- ment du modèle d'un solide indéformable, l'accélération verticale relevée 5 pendant la course dépend largement de l'emplacement de l'accéléromètre sur le corps. Ainsi la Figure 2 donne un exemple de l'évolution de l'accélération verticale en fonction du temps, relevée au niveau de la tête d'un coureur, tandis que la Figure 3 donne à titre comparatif des courbes d'évolution de 10 l'accélération relevées respectivement avec un accéléromètre situé au ni- veau du buste, donc au voisinage du centre de gravité du coureur (courbe en pointillés), correspondant par exemple au cas d'une ceinture abdominale instrumentée, et avec un accéléromètre situé au niveau de la tête (courbe en traits tiretés), par exemple dans l'un des boitiers du casque de 15 la Figure 1. Dans le premier cas, l'approximation des solides indéformables, consistant à déterminer la durée de vol comme étant la période pendant laquelle l'accélération verticale est voisine de la pesanteur, reste viable : dans le cas d'espèce on détecte les instants auxquels la course d'accélération 20 franchit une ligne horizontale correspondant à l'accélération de la pesan- teur. Elle devient toutefois impossible à mettre en oeuvre dans le cas où le signal d'accélération est établi au niveau de la tête. En effet, l'élasticité du corps humain pendant la course fait que le cours va s'étirer en vol et se 25 comprimer lors de la reprise de contact avec le sol. C'est principalement cette élasticité qui introduit dans la courbe d'accélération des écarts signi- ficatifs par rapport à une mesure effectuée au niveau du tronc, et notam- ment des oscillations et des ruptures de pente comme le montrent les Fi- gures 2 et 3, empêchant une bonne approximation des instants auxquels 30 les pieds quittent et retrouvent le sol. En référence maintenant à la Figure 4, on a représenté tout d'abord la courbe CA d'accélération verticale en fonction du temps relevée au niveau de la tête du coureur. Une première approche de la détermination du temps de vol peut consis- 35 ter à amener le circuit de traitement des signaux d'accélération à détermi- 3048868 6 ner des droites approchant au mieux les pentes du signal d'accélération pendant les phases de décroissance et de croissance de l'accélération, correspondant à la reprise d'appui du pied avec le sol et à l'impulsion du pied. En extrapolant ces droites, on peut obtenir une approximation des 5 instants auxquels le signal atteint un niveau correspondant à l'accélération de la pesanteur. Ainsi, en déterminant les instants auxquels les droites correspondantes, ici D2 et D3 respectivement, coupent la ligne horizontale H correspondant à l'accélération de la pesanteur (ou l'accélération nulle dans le cas où la correction de la pesanteur est intégrée), les points 10 d'intersection correspondants P2 et P3 permettent de déterminer, par cal- cul de l'intervalle de temps At qui les sépare, une première approximation du temps de vol. Le calcul de la position et de la pente des droites D2 et D3 peut être effectué en se basant sur les régions de la courbe d'accélération CA au niveau 15 desquelles l'évolution est la plus régulière. Dans un exemple particulier, et comme illustré sur la Figure 4, ces zones sont celles comprises dans une gamme d'accélérations comprises entre -0,5g et +0,3g. Les paramètres des droites D2 et D3 peuvent être déterminés par calcul de régression linéaire dans une telle gamme. 20 Pour déterminer la validité de cette approche, on peut comparer le temps de vol ainsi obtenu avec le temps de vol déterminé comme expliqué plus haut à partir d'un accéléromètre placé au niveau du buste. Cette comparaison est bien visible sur la Figure 3, et met en évidence un certain biais sur le point d'intersection entre la pente descendante à partir du point P3, 25 par rapport au véritable instant (point P3') auquel, d'après le capteur de buste, la pied reprend contact avec le sol. On observe que ce biais peut introduire une erreur relativement importante sur la détermination du temps de vol. Plus précisément, on observe sur la Figure 3 qu'il existe entre les points 30 P3' et P3 une oscillation de la valeur de l'accélération qui perturbe la pré- cision du calcul. Selon une amélioration de l'approche décrite plus haut en référence à la Figure 4, le dispositif est agencé pour se baser non plus l'accélération seule, mais à la fois sur l'accélération et sur une grandeur cinématique 35 dérivée de l'accélération. 3048868 7 Plus particulièrement et maintenant en référence à la Figure 5, pendant la phase de vol, le corps soumis à la seule pesanteur va adopter au niveau de son centre de gravité, mais également en première approximation au niveau de sa tête, une trajectoire parabolique, illustrée par la courbe PV 5 sur la Figure 5, dont la hauteur maximale va être atteinte au milieu de la phase de vol (point P4). Le dispositif est alors conçu pour dériver du signal d'accélération verticale une information de position verticale dont on sait que sa valeur correspondant à une altitude maximale est atteinte après sensiblement la moitié de la durée de vol. 10 Ainsi le dispositif peut réaliser une estimation plus fine de la durée de vol en multipliant par deux la durée qui s'écoule entre l'instant TDébutVol du début de vol (point P2 déterminé à l'aide de la droite D2 comme décrit plus haut) et l'instant Tp osVertMax auquel la coordonnée verticale est maximale (point P4 déterminé comme indiqué ci-dessus), soit : 15 Durée Vo/ = 2 x (TPosVertMax - TDébutVol) Des essais comparatifs effectués avec différents coureurs équipés d'une part d'un dispositif déterminant la durée de vol comme expliqué ci-dessus 20 et d'un système de captation de mouvements des pieds permettant de déterminer précisément les instants auxquels les pieds quittent et retrouvent le sol ont permis de démontrer que l'approche ci-dessus permettait d'obtenir une précision tout à fait satisfaisante pour permettre à un coureur d'apprécier de façon réaliste les qualités de sa course en relation 25 avec la durée de vol. On va maintenant décrire en référence à la Figure 6 un procédé 100 de traitement de signaux d'accélérométrie permettant de réaliser une détermination de durée de vol telle qu'expliquée ci-dessus, mis en oeuvre dans un calculateur approprié recevant en entrée des signaux d'accélérométrie. 30 À l'étape 102, les signaux bruts de l'accéléromètre 3D sont recueillis. En fonction de l'orientation de l'accéléromètre dans le casque porté par le coureur, un changement de référentiel est réalisé à l'étape 104. À l'étape 106, la composante verticale de l'accélération est isolée et enregistrée. 304 886 8 8 L'étape 108 consiste à déterminer les droites approximant les pentes de l'accélération pendant les phases de décollage et d'atterrissage. À l'étape 110, l'intersection de la droite D2 de pente croissante (phase d'envol) avec l'horizontale H représentative d'une accélération égale à la pesan- 5 teur est déterminée, pour obtenir et mémoriser l'instant de début du vol comme expliqué en référence à la Figure 4. Parallèlement, l'information d'accélération verticale enregistrée à l'étape 106 est soumise à une étape 112 de filtrage, typiquement un filtrage passe-bas pour éliminer les oscillations à haute fréquence de la valeur 10 d'accélération, et de double intégration de manière à obtenir la position verticale instantanée à partir des informations d'accélération, valeur de position qui est enregistrée à l'étape 114. L'étape 116 consiste à déterminer la valeur maximale de la position verticale, pour déterminer l'instant de milieu de vol, qui est mémorisé à l'étape 118. 15 Par ailleurs l'information d'accélération verticale isolée à l'étape 106 est appliquée à une étape 120 de détermination de la cadence de la foulée, mise en oeuvre par exemple par filtrage passe-bas et détermination de la période du signal cyclique résultant. Cette période représente la durée de la foulée est enregistrée à l'étape 122. 20 À l'étape 130 l'instant de début de temps de vol déterminé et enregistré à l'étape 110, l'instant de milieu de temps de vol déterminé et enregistré à l'étape 118 et la durée de la foulée déterminée et enregistrée à l'étape 122 sont combinés pour déterminer la durée de vol et la durée de contact au sol. 25 Plus précisément, si T est la durée de la foulée, t1 est l'instant de début de vol et t2 est l'instant de milieu de vol, alors la durée de vol est égale à : 2 x (t2 - t1) 30 et la durée de contact au sol est égale à: T - [2 x (t2 - t1)] Ces informations sont mémorisées à l'étape 132. 3048868 9 Les traitements ci-dessus sont par exemple mis en oeuvre dans un micro-contrôleur généraliste ou dédié à cette fonction, prévu dans l'un des boitiers du casque, les signaux d'accélération fournis par l'accéléromètre 3D faisant l'objet d'une conversion analogique/numérique préalable de façon 5 connue de l'homme du métier. Les calculs ci-dessus sont effectués périodiquement, soit à chaque foulée, soit toutes les N foulées, selon que l'information à fournir au coureur doit être plus ou moins détaillée. Par ailleurs, le dispositif calculateur peut effectuer tout post-traitement approprié et intégrer les données calculées à 10 tout fichier ou tout flux de données relatifs à la course (vitesse, tracé de la course par GPS, rythme cardiaque, etc.). Les données peuvent être rendues disponibles en temps réel ou quasi-réel sur un dispositif connecté tel qu'une montre ou un smartphone reliés au casque par câble ou liaison sans fil telle que Bluetooth, et/ou stockées 15 dans les circuits de mémoire du casque pour être chargées en temps dif- féré dans un dispositif tel qu'un ordinateur, une tablette, un smartphone, etc. Par ailleurs, l'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes, et notamment : 20 - plutôt que de mettre en oeuvre une intégration double du signal d'accé- lération pour en déduire la position verticale, il est possible d'effectuer une intégration simple, qui permet d'obtenir la vitesse, et détecter un changement de signe de l'information de vitesse, l'instant de ce changement de signe étant identique à l'instant auquel la position verticale 25 de plus grande altitude a été atteinte ; - en confrontant les données obtenues avec la présente invention avec des données réelles obtenues avec des capteurs appropriés, il est possible, dans le but d'améliorer la précision du calcul de la durée de vol, d'amener le circuit de calcul à apporter des corrections aux traite- 30 ments, par exemple en apportant une correction fixe ou proportionnelle à la pente de l'accélération lors de la phase d'envol, une correction au seuil d'accélération (strictement égal à g dans l'exemple qui précède, mais qui peut s'en distinguer dans une certaine mesure), à la détermination du sommet de la parabole, au coefficient multiplicateur (qui peut 35 ne pas être exactement égal à 2) de la demi-durée de vol estimée, etc. 3048868 10 - le dispositif de traitement et la centrale inertielle (ou seulement un accéléromètre, ou encore seulement un accéléromètre travaillant sur un axe vertical) peuvent être reçus sur ou dans tout autre équipement, par exemple un bandeau, un casque non audio, une paire de lunettes, 5 etc.) destiné à être placé au voisinage de la tête du sujet. REVENDICATIONS1. Dispositif pour la détermination de paramètres de foulée d'une course à pied, comprenant un accéléromètre (54) apte à fournir un signal d'accélération verticale d'une région anatomique supérieure d'un coureur et un circuit de calcul (50), caractérisé en ce que le circuit de calcul est configuré pour déterminer un instant de début de vol à partir d'une pente (D2) d'évolution du signal d'accélération verticale et pour déterminer une durée de vol à partir d'une information (PV, P4) obtenue par intégration de l'accélération verticale. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de calcul (50) est apte à déterminer une durée de vol à partir d'une information de position verticale (PV) obtenue par double intégration du signal d'accélération verticale. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de calcul (50) est apte à déterminer une durée de vol à partir de l'instant de début de vol (P2) et d'un instant de position verticale de plus grande altitude (P4). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la durée de vol est déterminée comme étant égale au double de la différence entre les deux instants (P2, P4). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'instant de début de vol (P2) est déterminé en tant qu'intersection entre une droite ayant ladite pente (D2) d'évolution du signal d'accélération verticale avec une droite (H) représentative d'une valeur d'accélération prédéterminée. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite valeur d'accélération prédéterminée est l'accélération de la pesanteur (g). 304 886 8 12 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est assujetti aux mouvements de la tête du coureur. 8. Casque audio (10), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (50, 5 52, 54) selon la revendication 7. 9. Procédé (100) mis en oeuvre par un circuit de calcul pour la détermination de paramètres de foulée d'une course à pied à partir d'un signal d'accélération verticale d'une région anatomique supérieure d'un coureur 10 fourni par un accéléromètre, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - déterminer (108, 110) un instant de début de vol (P2) à partir d'une pente d'évolution du signal d'accélération verticale, et - déterminer (130) une durée de vol à partir d'une information (114) ob- 15 tenue par intégration (112) de l'accélération verticale. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce l'étape de détermination (130) de la durée de vol est mise en oeuvre à partir d'une information de position verticale (PV) obtenue par double intégration du signal 20 d'accélération verticale (CA). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la durée de vol est mise en oeuvre à partir de l'instant de début de vol (P2) et d'un instant (P4) de position verticale de plus grande 25 altitude. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la durée de vol est déterminée comme étant égale au double de la différence entre les deux instants. 30 13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que l'instant de début de vol (P2) est déterminé en tant qu'intersection entre une droite ayant ladite pente d'évolution (D2) du signal d'accélération verticale avec une droite (H) représentative d'une valeur d'accélération pré- déterminée. 3048868 13 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite valeur d'accélération prédéterminée est l'accélération de la pesanteur (g).