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La boussole numérique est un microsystème permettant de mesurer le champ magnétique terrestre de manière analogique et de le convertir en valeur numérique. Cette vision simplifiée cache une réalité plus complexe. Le microsystème doit tenir compte de plusieurs phénomènes physiques pour obtenir une mesure fiable.
La boussole numérique / Revue Polytechnique / Gilles Beljavoic
L’invention de la boussole remonte à plus de 1000 ans avant Jésus-Christ. Elle fonctionne traditionnellement à l'aide d'une aiguille aimantée, montée sur un axe, attirée par le nord magnétique. Un cadran gradué est ajusté sur un azimut et la base de la boussole comporte une flèche qui désigne le cap ou l'objectif à atteindre.
La boussole numérique est une version moderne de la boussole qui substitue la mesure “mécanique“ du nord par une mesure électronique du champ magnétique terrestre et qui permet de gérer l'azimut et le cap de manière numérique.
La Terre s'entoure d'un champ magnétique qui peut être comparé à celui d'un dipôle magnétique. Ce champ magnétique est composé de trois composantes orthogonales X, Y, Z qui permettent d'en déduire les angles D et I ainsi que l'intensité totale du champ F et la résultante H (composante horizontale). Il faut également différencier le pôle Nord magnétique du pôle Nord géographique. Le pôle Nord magnétique fait un angle de 11,5° par rapport à l'axe Nord-Sud de la Terre.
L'aiguille d'une boussole suit toujours la composante horizontale H du champ magnétique terrestre. Elle indique la direction du pôle Nord magnétique et non celle du pôle Nord magnétique et non celle du pôle Nord géographique. Cette différence angulaire relative est appelée déclinaison magnétique. En fonction de PEU notre position sur Terre, cet angle varie ; il faut ajuster la mesure en fonction de la déclinaison indiquée par les cartes géographiques spécifiques.
Le champ magnétique terrestre est faible. On le mesure en tesla (T) ou en gauss (G). En Suisse, la valeur moyenne mesurée du champ magnétique terrestre est de l'ordre de 47 micro T ou 0,47 G; quant à la déclinaison magnétique, elle est proche de 0.
Avantages et contraintes
Un exemple d'intégration de boussole numérique est celui d'une montre pour activités en plein air. Ses avantages par rapport à une boussole mécanique sont sa résistance aux chocs et aux vibrations, ses possibilités de compensation des perturbations électromagnétiques et ses avantages en termes d'affichage.
Le microsystème doit répondre à trois contraintes principales. La première est d'ordre dimensionnelle. Elle concerne le volume à disposition pour l'intégration du microsystème. La deuxième contrainte concerne les éléments perturbant le champ magnétique terrestre. La troisième concerne la consommation d'énergie, donc l'autonomie du système.
Le choix du capteur
La contrainte dimensionnelle est surtout liée au volume du boîtier et à la présence du mouvement horloger dont le positionnement est central. Cette configuration oblige à développer un microsystème en anneau, composé d'un microcontrôleur, d'un capteur magnétique, de divers composants électroniques passifs et alimenté par une pile lithium-ion de 3 V. Le choix du capteur magnétique se fait en fonction de sa technologie, de sa taille et de sa consommation. Le choix le plus adéquat se porte sur un capteur magnéto-résistif, dont les résistances sont fabriquées avec des conducteurs dont la résistance électrique varie en présence d'un champ magnétique. De plus, le temps de réponse global du microsystème (1 ms) et sa sensibilité (0,1 mG) en font un capteur idéal pour une utilisation numérique.
Les perturbations électromagnétiques peuvent être classées en deux catégories, les aimants permanents ou “hard iron“ (moteurs, lignes électriques, haut-parleurs) et les matériaux non permanents ou “soft iron“ (acier, fer, autres métaux ferromagnétiques). Dans le cas de la montre, la majeure partie des perturbations provient du “soft iron“. Ce sont notamment le boîtier, la pile et, dans une certaine mesure, le mouvement. Ces éléments créent une distorsion locale du champ magnétique terrestre.
Dans l'absolu et en absence de perturbations, le calibrage du microsystème doit donner un cercle centré. S'il y a des perturbations, le cercle va se décentrer et se transformer en ellipse. L'algorithme de calibrage doit donc permettre de compenser le décalage dû au “hard iron“ et filtrer les perturbations dues au “soft iron“. Un filtrage est aussi effectué pour éliminer le bruit de la mesure analogique.
Chaque axe du capteur mesure le champ magnétique terrestre selon sa composante. Les mesures sont ensuite converties en valeur numérique par le convertisseur A/D du microcontrôleur. Après compensation des perturbations, il faut encore tenir compte de la déclinaison magnétique indiquée par l'utilisateur avant de pouvoir calculer l'intensité et la direction du champ magnétique par conversion trigonométrique. Plusieurs
Précision et consommation
La qualité de la mesure dépend directement du calibrage et de l'environnement du capteur. C'est pourquoi la précision globale du microsystème est de ± 2-3°, car l'erreur de calibrage est de l'ordre de 0,5 à 1 % sur 360°.
En termes de consommation, le micro-système doit avoir une autonomie de deux à cinq ans en fonction de l'affichage, de la taille de la pile et de la fréquence d'utilisation du système. Le microsystème ne consomme que quelques milliampères en mode actif et quelques microampères en mode veille.
L'affichage peut être un gros consommateur d'énergie en fonction de la solution mise en œuvre. Les solutions les plus économiques restent l'écran à cristaux liquides (LCD) ou les aiguilles montées sur des micromoteurs bidirectionnels pour donner un aspect de boussole mécanique. D'autres solutions utilisent des DEL (fig. 4) pour l'affichage du cap et du Nord magnétique. Elles sont plus gourmandes en courant, mais offrent une meilleure lisibilité et ergonomie. En conclusion, quel que soit l'affichage ou le support, s'orienter est devenu un besoin portable, quotidien et donc intimement lié à la mobilité des gens et à leurs loisirs. Dans cette optique, la boussole numérique est devenue un acteur incontournable.
Trilogis Sàrl est une jeune pousse (2006) dont le savoir est ciblé sur l'électronique de basse consommation pour des systèmes autonomes (horlogerie, domotique, système de production) et de solutions RFID destinées aux applications de traçabilité et de localisation de produits.
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