Brevet FR3081228A1 — publié le 20191122

Domaine Technique [0001] De manière générale, l'invention concerne un procédé et un dispositif de détermination de la fréquence de pédalage d'un cycliste à partir d'un signal GNSS (acronyme de l'expression anglaise « Global Navigation Satellite System » - système de positionnement par satellites) radiofréquence. Arrière-plan technologique [0002] La cadence de pédalage d'un cycliste est un paramètre-clé pour l'analyse de performance. [0003] La puissance développé par un cycliste peut se calculer par : P = T - co (Eq. 1) où P est la puissance, en Watts, T est le couple des forces exercé sur les pédales, en Newtons-mètres, et w est la vitesse angulaire des pédales. w est elle-même une mesure, normalement en rad/s, de la cadence de pédalage. La cadence de pédalage est typiquement exprimée en tours/minute (« rpm »), mais il ne s'agit là pas d'une exigence mais plutôt d'une habitude (qui n'est pas censée limiter l'invention). Dans ce cas, la cadence vaut (02x60.ir [0004] Les forces sur les pédales peuvent être mesurées par des capteurs (p.ex. des jauges de contrainte, p.ex. installées au niveau des plateaux, des manivelles, des moyeux ou des pédales) ou estimées de manière indirecte en fonction de la vitesse, de la pente du terrain, du poids du cycliste, etc. [0005] Actuellement, la cadence de pédalage est mesurée à l'aide de capteurs qui doivent être agencés dans ou sur le vélo, p.ex. un accéléromètre intégré dans une des manivelles ou un capteur de cadence comprenant un aimant fixé sur une manivelle et un donneur d'impulsion, réactif à l'aimant, fixé sur le cadre. [0006] La détermination de la cadence de pédalage requiert dès lors un équipement supplémentaire sur la bicyclette. 2 Problème technique [0007] Un objectif de la présente invention est de présenter une détermination alternative de la cadence de pédalage. Description générale de l'invention 5 [0008] L'invention repose sur l'observation que, compte tenu du mouvement de pédalage, dans des conditions stables d'effort du cycliste, de vent et de pente, la puissance développée par un cycliste prend (approximativement) la forme d'une sinusoïde dont la fréquence est le double de la fréquence de pédalage. Cette variation cyclique de puissance a pour effet une petite oscillation de la vitesse du cycliste dont 10 l'amplitude (quelques centimètres par seconde) peut être observée au travers de mesures de phase GNSS qui sont d'un ordre de grandeur plus précises (quelques millimètres). [0009] Un premier aspect de l'invention concerne dès lors un procédé de détermination de la cadence de pédalage d'un cycliste sur un cycle, dans lequel la 15 cadence de pédalage est extraite d'une oscillation de mesures de phase de signaux GNSS réalisées sur le cycle à l'aide d'un récepteur GNSS ou d'une oscillation de mesures calculées sur la base des mesures de phase. [0010] Le terme « cycle » désigne un véhicule à deux roues ou plus propulsé par l'énergie musculaire de la ou des personnes se trouvant sur ce véhicule (le ou les 20 cyclistes), notamment à l'aide de pédales ou de manivelles. Dans le cadre de ce document, le terme « cycle » peut dès lors désigner un véhicule propulsé exclusivement par l'énergie musculaire ou un cycle à pédalage assisté. [0011] Dans le cadre de ce document, on entend par « signal GNSS » un signal de radionavigation émis par les satellites d'un ou de plusieurs systèmes de 25 positionnement par satellites (p.ex. GPS, GALILEO, GLONASS, SBAS, etc.) De manière générale, un signal GNSS comprend une porteuse radiofréquence modulée par une forme d'onde (dite « d'étalement ») contenant un code pseudo-aléatoire. La modulation de la porteuse provoquant l'étalement du spectre autour de la fréquence de la porteuse, les signaux GNSS sont souvent appelés « en spectre étalé ». Chaque code pseudo-aléatoire constitue un identificateur du signal et de son émetteur. Connus des récepteurs, les codes pseudo-aléatoires permettent à ceux-ci un Accès Multiple à 3 Répartition de Code (AMRC). A l'exception des signaux GNSS « pilotes », les signaux GNSS transportent en outre des données (p. ex. le message de navigation) sous forme d'une séquence binaire (à rythme nettement moins élevé que le code pseudoaléatoire) modulée en plus sur la porteuse. 5 [0012] Le terme « récepteur GNSS » désigne un récepteur radiofréquence capable de recevoir et de traiter les signaux GNSS, p.ex., pour déterminer sa position, sa vitesse et le temps. Un récepteur GNSS est typiquement capable de réaliser des mesures de code et des mesures de la phase de la porteuse (« mesures de phase »). Les deux mesures correspondent à la distance apparente entre l'émetteur et le 10 récepteur. Les mesures de phase sont beaucoup plus précises que les mesures de code, mais elles contiennent une ambiguïté égale à un multiple entier (inconnu) de la longueur d'onde de la porteuse. Ces ambiguïtés étant difficiles, voire impossibles (sur des récepteurs conventionnels), à résoudre de manière cohérente pour l'ensemble des signaux GNSS, la plupart des applications ne sauraient reposer uniquement sur les 15 mesures de phase mais ont besoin des mesures de code. Tel n'est pas le cas dans le cadre de cette invention, car il n'est pas nécessaire de lever les ambiguïtés des mesures de phase. [0013] Vu l'observation décrite plus haut, selon un premier mode de réalisation du procédé, on peut calculer la vitesse ou les oscillations de la vitesse du cycle sur la 20 base des observations de phase. Les « mesures calculées sur la base des mesures de phase » seraient dans ce cas la vitesse ou les variations de la vitesse ainsi calculées. Pour calculer les oscillations de la vitesse dues au pédalage, il n'est a priori pas nécessaire de connaître la valeur absolue de la vitesse et on n'a donc pas besoin de lever les ambiguïtés sur les mesures de phase. 25 [0014] Il convient de noter qu'il n'est pas nécessaire dans tous les cas de combiner les mesures de phase réalisées sur les différents signaux GNSS de sorte à obtenir une grandeur correspondant à la vitesse, car les petites oscillations de la vitesse du cycle se traduisent dans de petites oscillations dans les mesures de phase brutes, plus précisément dans les mesures de phase des signaux GNSS dont la direction de 30 propagation n'est pas (substantiellement) orthogonale aux oscillations. A un instant donné, les oscillations de mesure de phase brute sont donc présentes sur la plupart des signaux GNSS en provenance des satellites qui se trouvent au-dessus de 4 l'horizon. Dès lors, il est possible d'extraire la cadence de pédalage des mesures de phase brutes ou de mesures calculées sur la base des mesures de phase brutes. [0015] Les mesures calculées sur la base des mesures de phase pourraient comprendre des mesures Doppler, la vitesse du récepteur GNSS, la projection de la 5 vitesse du récepteur GNSS sur un plan horizontal, la norme de la vitesse du récepteur GNSS, l'accélération du récepteur GNSS, la projection de l'accélération du récepteur GNSS sur un plan horizontal et/ou la norme de l'accélération du récepteur GNSS. Cette liste est non limitative. [0016] Les mesures calculées sur la base des mesures de phase brutes peuvent être 10 obtenues à l'aide de mesures de phase différentiées dans le temps (« mesures TDCP », de l'anglais « time-differenced carrier phase »). Par exemple, le décalage Doppler TDCP sur le signal i à l'instant tj, noté Dia,'(ti), pourrait être calculé (approximé) par : (Pi(t1-1)-(lci(ti+i) (Eq. 2) = 2At 15 OÙ (Pi(ti_i) désigne la mesure de phase à l'instant ti_l, cpi(ti+1) celle à l'instant et At l'écart entre deux instants de mesure (At = tj - tj_1 = ti+1 - ti). [0017] Selon un mode de réalisation du premier aspect de l'invention, le procédé comprend la réalisation de mesures inertielles à l'aide d'un ou de plusieurs accéléromètres et/ou d'un ou de plusieurs gyromètres. Les accéléromètres et/ou 20 gyromètres peuvent faire partie d'une centrale à inertie ou fonctionner de manière individuelle. [0018] Un avantage d'avoir des mesures inertielles à disposition est que la cadence de pédalage pourrait être extraite d'une oscillation de mesures obtenues par hybridation des mesures de phase et des mesures inertielles. 25 [0019] En supplément ou de manière alternative, la cadence de pédalage pourrait être extraite d'une oscillation des mesures inertielles (prises individuellement) ou d'une mesure calculée sur les mesures inertielles uniquement, lorsque les mesures de phase de signaux GNSS sont temporairement indisponibles (p.ex. en dessous d'un pont, dans un tunnel, etc.) ou trop bruitées. 5 [0020] Le procédé selon le premier aspect de l'invention peut comprendre la réalisation des mesures de phase de signaux GNSS par le récepteur GNSS. Il convient toutefois de noter que le procédé pourrait également fonctionner à distance, sur des mesures qui sont réalisées par un récepteur GNSS sur le cycle et transmises par un 5 lien de télécommunication au processeur qui exécute le procédé. La cadence de pédalage pourrait dans ce cas être retransmise via le même ou un autre lien de télécommunication dans l'autre sens, ou être utilisée à distance p.ex. pour des calculs de performance en temps différé. [0021] Le procédé selon l'invention pourrait être mis en oeuvre sur tout dispositif 10 mobile comprenant ou étant connecté à un récepteur GNSS, p.ex. sur un mobile multifonction (en anglais : « smartphone »), une montre connectée (ou montre intelligente, en anglais « smart watch »), un récepteur GNSS, etc. Certains terminaux mobiles intégrant un récepteur GNSS sont configurés de sorte à le faire fonctionner dans un mode de « duty cycling » statique ou adaptatif. Si le « duty cycling » est activé, 15 le récepteur GNSS fonctionne dans un mode alternant des intervalles d'activité et d'inactivité, ce qui permet, en particulier, de réduire la consommation d'énergie du récepteur GNSS et d'augmenter ainsi l'autonomie du terminal mobile. Le désavantage du mode « duty cycling » est qu'il implique des interruptions des mesures. Pour les mesures de phase, cela peut signifier un saut de phase arbitraire après chaque 20 redémarrage et ainsi rendre impossible la détection d'oscillations de phase dans la plage des cadences de pédalage. Pour pallier à ce problème, le procédé pourrait comprendre la détection si le récepteur GNSS fonctionne dans un mode alternant des intervalles d'activité et d'inactivité (mode de « duty cycling ») et, le cas échéant, (a) l'activation d'un mode dans lequel le récepteur GNSS reste actif en permanence ou 25 (b) l'adaptation de la longueur des intervalles d'activité et d'inactivité en fonction des besoins de la détermination de la cadence de pédalage. [0022] De préférence, l'extraction de la cadence de pédalage de l'oscillation des mesures de phase ou de mesures calculées sur la base des mesures de phase comprend une analyse fréquentielle dans la plage de 1 à 6 Hz, correspondant à une 30 cadence de pédalage entre 30 et 180 tours/minute. L'analyse fréquentielle (spectrale) pourrait être faite à l'aide d'une transformation de Fourier (normale ou rapide) et d'une détection de pic(s) dans la plage indiquée. La plage de fréquences peut être fixe ou 6 être dynamiquement adaptée en fonction de la vitesse, de la position et/ou d'informations géographiques concernant la position du cycliste. Ceci permettrait de réduire la recherche de la cadence à une plage réduite, notamment la plage la plus probable en les circonstances. 5 [0023] Pour valider la cadence de pédalage, une analyse, sur base de la vitesse du cycliste, de la plausibilité de la cadence de pédalage déterminée pourrait être réalisée. Cette analyse de plausibilité tiendra de préférence compte du fait que des sauts dans la cadence déterminée peuvent intervenir si le cycliste change de rapport de transmission. Cela pourra, p.ex., se faire en utilisant les rapports de vitesse du cycle 10 (plateaux et pignons) supposés connus. [0024] Un deuxième aspect de l'invention concerne un procédé d'évaluation de la performance d'un cycliste qui comprend le calcul de la performance sur base de la cadence de pédalage du cycliste déterminée par le procédé selon le premier aspect de l'invention. 15 [0025] Un troisième aspect de l'invention concerne un programme d'ordinateur, p.ex. application mobile ou application web, comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur. Selon un mode de réalisation, le programme est enregistré sur un support informatique (p.ex. une mémoire, un support de stockage, etc.), et est, de 20 préférence, accessible à un processeur pour être chargé dans la mémoire vive de celui-ci en vue de l'exécution du programme. [0026] Un quatrième aspect de l'invention concerne un terminal mobile, comme, p.ex., un mobile multifonction, un récepteur GNSS, une montre connectée, configuré (p.ex. à l'aide d'un programme informatique) pour la mise en oeuvre du procédé selon 25 le premier et/ou le deuxième aspect de l'invention. Brève description des dessins [0027] D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée de certains modes de réalisation avantageux présentés ci- dessous, à titre d'illustration, avec référence aux dessins annexés qui montrent : 30 Fig. 1: une vue schématique d'un cycle équipé d'un récepteur GNSS pour réaliser des mesures de phase de porteuse ; 7 Fig. 2: un graphique illustrant les oscillations de la vitesse d'un cycle dues au pédalage. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention [0028] La figure 2 illustre l'effet du pédalage d'un cycliste sur sa vitesse. On observe 5 que la vitesse en fonction du temps a la forme d'une sinusoïde avec une amplitude de quelques cm/s. Le cas illustré est issu d'une simulation sur la base des paramètres suivants : o cadence de pédalage : 60 tours/minute o puissance minimale transmise aux pédales (aux points morts) : 20 W 10 o puissance maximale transmise aux pédales : 480 W o puissance moyenne : 250 W o masse du cycliste et du vélo : 80 kg. [0029] Les oscillations obtenues correspondent à une situation de roulage sur le plat en régime stable. Il a été tenu compte dans la situation des forces de pesanteur, de la 15 résistance de l'air, de la résistance au roulement et de la force de frottement. On voit que l'amplitude (crête à crête) est d'environ 4 à 5 cm/s. Pour une situation de roulage en pente montante de 5° avec sinon les mêmes hypothèses que ci-avant, l'amplitude (crête à crête) serait d'environ 14 cm/s. [0030] Ces oscillations de la vitesse du cycliste par rapport au sol ont pour effet que 20 dans le référentiel d'un récepteur GNSS monté sur le cycle, un mouvement oscillatoire se superpose au mouvement non oscillatoire et aux trajectoires des satellites GNSS. La précision des mesures de phase de porteuse étant de l'ordre de quelques millimètres (p.ex. sur la fréquence L1 du GPS on observe un bruit de mesure de 2 à 3 mm), il sera possible de mesurer les oscillations de la vitesse au travers de ces 25 mesures. [0031] La figure 1 montre, de manière schématique, un cycliste 10 sur son vélo 12. Le cycliste a monté un terminal mobile 14 (p.ex. un récepteur GNSS ou un mobile multifonction) sur le cycle (p.ex. sur le guidon) au moyen d'une fixation. Le terminal mobile 14 comprend un récepteur GNSS intégré, capable de recevoir et de traiter les 30 signaux GNSS 16 qui sont diffusés par les satellites 18 d'une ou de plusieurs 8 constellations GNSS. Il convient de noter qu'il n'est pas essentiel pour l'invention que le terminal mobile soit fixé sur le cycle. En effet, le cycliste pourrait également porter le terminal sur son corps (p.ex. fixé sur le bras) ou dans une poche. [0032] Dans l'exemple illustré, le mobile multifonction 14 est équipé d'une application 5 mobile qui a accès aux mesures brutes réalisées par le récepteur GNSS et qui est configurée pour exécuter un procédé selon l'invention, en particulier d'extraire les oscillations des mesures de phase qui sont dues au pédalage. [0033] Une possibilité pour mesurer les petites oscillations est indiquée, à titre d'exemple, dans la suite. Le décalage Doppler D, est dû au mouvement relatif entre le satellite i et le récepteur GNSS (RX) et est donné par la formule : TX,i 17'>i-17'>RX (Eq. 3) D. = fRx,i = _f (f)i _ " où fR,c, est la fréquence de la porteuse du signal i dans le référentiel du récepteur, fnc, la fréquence de la porteuse du signal i dans le référentiel du satellite i qui l'émet (égale à la fréquence nominale f de la porteuse après compensation des effets de la 15 dérive de l'horloge du satellite), c la vitesse de la lumière, fy>, la vitesse du satellite vRx la vitesse du récepteur, la position du satellite j, fRx la position du récepteur, « - » le produit scalaire et « 11-11 » la norme euclidienne. Les vecteurs vitesse et position sont indiqués par rapport à un référentiel commun, p.ex. un référentiel terrestre. Pour faciliter la notation, on définit à, = l'>iRX le vecteur unitaire pointant du récepteur au 11f-i-f2Rx11 zo satellite j. [0034] La fréquence de porteuse observée (et donc le décalage Doppler observé) par le récepteur comporte une erreur systématique due à la dérive de l'horloge du récepteur 8hRx et du bruit E. Après correction de la dérive de l'horloge du satellite, on obtient l'équation pour le taux de variation de la pseudo-distance A (en anglais 25 « pseudo-range rate ») : fit - À-Dianes - (1-9>i RX) ai 81:1RX E (Eq. 4) [0035] On note que cette expression dépend de la position du récepteur. Une estimée de la position est donc nécessaire pour obtenir fyRx. 9 [0036] Dunes peut être estimé à l'aide de mesures TDCP. Le décalage Doppler observé sur le signal i à l'instant ti est approximé par : (Eq. 5) (Pi(t1-1)-(lci(ti+i) Dietes(tj) = 2At où cpi(ti_l) désigne la mesure de phase à l'instant t, cpi(ti+1) celle à l'instant 5 et At l'écart entre deux instants de mesure (At = ti - ti_l = ti+1 - [0037] Les vitesse fy, et position des satellites peuvent être calculées par le récepteur à l'aide des éphémérides GNSS diffusées dans le message de navigation contenu dans les signaux GNSS ou mises à disposition des utilisateurs par un autre moyen (Internet, service d'assistance au GNSS, etc.) 10 [0038] Le récepteur GNSS peut calculer sa position de manière conventionnelle, en utilisant les mesures de code. La précision du positionnement ainsi obtenue est suffisante dans ce contexte. [0039] Les mesures Dianes, les vitesses et les positions des satellites ainsi que l'estimée de la position du récepteur sont combinées au moyen de l'Eq. 4. Le système 15 d'équations peut être résolu pour f>,Rx par la méthode des moindres carrés, par un filtre de Kalman ou tout autre procédé convenable. [0040] Pour déterminer les oscillations, le récepteur enregistre les valeurs de f>,Rx déterminées pendant un certain temps et réalise une analyse fréquentielle dans la plage de 1 à 6 Hz. Une telle analyse fréquentielle peut comprendre une transformation 20 de Fourier et une détection de pics. Au lieu de réaliser cette analyse sur les composantes de f>,Rx de manière individuelle, il est possible de la réaliser sur la norme du vecteur vitesse 1111-RxII, sur la projection de f>9Rx sur un plan horizontal, sur la projection de f>,Rx sur le plan du sol, sur la projection de f>,Rx sur l'axe longitudinal du cycle, etc. La fréquence des oscillations de la vitesse étant le double de la cadence de 25 pédalage la fréquence trouvée par l'analyse spectrale est divisée par 2. Au besoin, une conversion en tours/minute est réalisée. [0041] Les Eqs. 4 et 5 montrent que les oscillations de la vitesse ont un impact direct sur les mesures de phase de la porteuse si le vecteur f>,Rx n'est pas orthogonal à à,. Une autre possibilité pour déterminer la cadence de pédalage est dès lors de 30 soumettre (toutes) les mesures de phase brutes à une analyse spectrale. De manière 10 alternative, le terminal pourrait être configuré de sorte à déterminer d'abord les satellites qui sont les mieux positionnés (en termes de f>yRx - di) en tenant compte de sa position et de sa vitesse actuelle et de détecter ensuite les pics caractéristiques du pédalage dans le spectre des mesures de phase brutes pour ces satellites. 5 [0042] Alors que des modes de réalisation particuliers viennent d'être décrits en détail, l'homme du métier appréciera que diverses modifications et alternatives à ceux-là puissent être développées à la lumière de l'enseignement global apporté par la présente divulgation de l'invention. Par conséquent, les agencements et/ou procédés spécifiques décrits ci-dedans sont censés être donnés uniquement à titre d'illustration, 10 sans intention de limiter la portée de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la cadence de pédalage d'un cycliste (10) sur un cycle (12), caractérisé en ce que la cadence de pédalage est extraite d'une oscillation de mesures de phase de signaux GNSS (16) réalisées sur le cycle (12) à l'aide d'un récepteur GNSS (14) ou de mesures calculées sur la base des mesures de phase. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mesures calculées sur la base des mesures de phase comprennent des mesures Doppler, la vitesse du récepteur GNSS, la projection de la vitesse du récepteur GNSS sur un plan horizontal, la norme de la vitesse du récepteur GNSS, l'accélération du récepteur GNSS, la projection de l'accélération du récepteur GNSS sur un plan horizontal et/ou la norme de l'accélération du récepteur GNSS. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les mesures calculées sur la base des mesures de phase sont obtenues à l'aide de mesures de phase différentiées dans le temps. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation de mesures inertielles à l'aide d'un ou de plusieurs accéléromètres et/ou d'un ou de plusieurs gyromètres. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cadence de pédalage est extraite d'une oscillation de mesures obtenues par hybridation des mesures de phase et des mesures inertielles. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la cadence de pédalage est extraite d'une oscillation des mesures inertielles lorsque les mesures de phase de signaux GNSS sont temporairement indisponibles ou trop bruitées. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation des mesures de phase de signaux GNSS par le récepteur GNSS. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend o la détection si le récepteur GNSS fonctionne dans un mode alternant des intervalles d'activité et d'inactivité, 12 o et, le cas échéant, l'activation d'un mode dans lequel le récepteur GNSS reste actif en permanence ou l'adaptation de la longueur des intervalles d'activité et d'inactivité en fonction des besoins de la détermination de la cadence de pédalage. 5 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'extraction de la cadence de pédalage de l'oscillation des mesures de phase ou de mesures calculées sur la base des mesures de phase comprend une analyse fréquentielle dans la plage de 1 à 6 Hz., correspondant à une cadence de pédalage entre 30 et 180 tours/minute. 10 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'extraction de la cadence de pédalage de l'oscillation des mesures de phase ou de mesures calculées sur la base des mesures de phase comprend une analyse fréquentielle dans une plage de fréquences qui est dynamiquement adaptée en fonction de la vitesse, de la position et/ou d'informations géographiques 15 concernant la position du cycliste. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par une analyse de la plausibilité de la cadence de pédalage déterminée sur base de la vitesse du cycliste. 12. Procédé d'évaluation de la performance d'un cycliste (10), comprenant le calcul 20 de la performance sur base de la cadence de pédalage du cycliste déterminée par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 13. Programme d'ordinateur, p.ex. application mobile ou application web, comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 lorsque ledit 25 programme est exécuté sur un ordinateur. 14. Terminal mobile (14), p.ex. mobile multifonction, récepteur GNSS, montre connectée, configuré pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.