Unité de Mesure Inertielle (IMU)
Primo rédacteur : KUCUKASLAN Elisa
Création de la page : Novembre 2023
Plan :
I) Définition
II) Evolution historique des centrales inertielles
III) Structure et fonctionnement d’une centrale inertielle
IV) Applications et intérêts dans le domaine sportif
V) Limites et perspectives
I) Définitions
Le principe d’inertie dicté par la 1ère loi de Newton exprime la propriété d’un corps à conserver un mouvement rectiligne uniforme, ou son état de repos en l’absence d’une force extérieure. En d’autres termes si la vitesse d’un corps est constante dans un référentiel galiléen*, alors la somme des forces s’exerçant sur ce corps est nulle. L’inertie d’un objet étant proportionnelle à sa masse, plus la masse est grande, et plus la force appliquée pour mettre l’objet en mouvement doit être importante. Cette relation est exprimée par la deuxième loi de Newton, également connue sous le nom du principe fondamentale de la dynamique avec :
F = m x a
F = forces extérieures exercées sur l’objet en Newton (N)
m = masse de l’objet en kilogramme (kg)
a = accélération du centre d’inertie** en mètre par seconde carrée (m.s-2)
Par conséquent on en déduit qu’à partir de l’accélération il est possible déterminer les forces appliquées sur un objet.
Une unité de mesure inertielle ou autrement appelée centrale inertielle, est un dispositif composé de capteurs inertiels capables de mesurer l’accélération linéaire et angulaire d’un objet. A partir des données récoltées et de l’application de d’algorithmes mathématiques, il est ainsi possible d’en déduire différentes métriques dont la vitesse et la position de l’objet.
*Référentiel galiléen : référentiel inertiel dans lequel les lois du mouvement de la mécanique classique sont valides : inertie, uniformité de l’espace, uniformité du temps. Henri Poincaré, La Science et l’Hypothèse 1902
** Centre d’inertie : également connu sous le nom de centre de masse, il se définit comme étant le point autour duquel la distribution de la masse d’un objet est uniforme.
II) Approche historique des centrales inertielles
III) Structure et fonctionnement d’une centrale inertielle
On distingue plusieurs catégories de centrales inertielles selon le nombre, et le type de capteurs dont elles sont constituées. Les centrales inertielles à destination du domaine sportif sont préférentiellement composées de capteurs tridimensionnels, afin de connaitre les mouvements de l’athlète dans l’ensemble de l’espace. Ces capteurs sont placés dans un petit boitier, qui sera porté en permanence par l’athlète lors de ses sessions (brassière, poche intégrée dans les vêtements).
Ex : photos kinexon / catapult
Les accéléromètres et les gyroscopes triaxiaux fournissent l’accélération linéaire et angulaire du corps, ces capteurs inertiels peuvent être complétés par des magnétomètres, nous informant sur la direction du déplacement. Afin de comprendre plus précisément le fonctionnement d’une centrale inertielle, les 3 composants cités précédemment seront détaillés ci-dessous :
Accéléromètre triaxial : capteur inertiel mesurant les accélérations linéaires* (m.s-2) et gravitationnelles dans les 3 plans de l’espace (x,y,z), il nous informe sur les variations de vitesse de l’athlète au cours du temps.
Gyroscope triaxial : capteur inertiel mesurant les accélérations angulaires** (rad.s-2) dans les 3 plans de l’espace (x,y,z), il nous informe sur la rotation du corps de l’athlète au cours du temps.
Magnétomètre triaxial : capteur mesurant l’intensité et l’orientation du champ magnétique (μT) dans les 3 plans de l’espace (x,y,z), il nous informe essentiellement sur la direction du déplacement de l’athlète.
A l’issu de la récolte des données il est possible que le signal obtenu soit bruité en raison de fluctuations aléatoires, pour contrecarrer cet effet il existe des filtres (ex : Kalman), ce sont des modèles mathématiques qui permettent d’obtenir un output lissé du signal. Ils fournissent une estimation plus stable des données, mais potentiellement moins fiable. En effet l’utilisation de ces filtres peut entrainer l’apparition de biais dans la série de données, amenant à surestimer ou sous-estimer certaines valeurs. De ce fait les centrales inertielles sont classées par rapport aux biais potentiels, induits par les filtres appliquées sur les capteurs.
Par la suite une fois les données finales récoltées, il est possible de déterminer les variables de vitesse puis de position, en utilisant la fonction d’intégration à partir de l’accélération.
De nombreux algorithmes mathématiques peuvent être appliqués pour obtenir une multitude de métriques.
*Accélération linéaire : variation de la vitesse par unité de temps d’un objet en mouvement rectiligne
** Accélération angulaire : variation de la vitesse angulaire par unité de temps d’un objet en mouvement rotatif ou angulaire
IV) Applications et intérêts dans le domaine sportif
Les différentes métriques calculées à partir des données de centrale inertielle peuvent constituer des indicateurs intéressants dans le monitoring de la charge*. La charge d’entrainement donne une estimation du niveau de sollicitation d’une séance sur l’organisme : elle permet de quantifier l’effet de fatigue cumulée par un entrainement et éviter une fatigue persistante. Cette charge se mesure soit de manière interne, soit de manière externe (Impellizzeri et al 2005 ; Dupond et Bosquet 2007 ; Gabbett 2016). Les mesures de charges externes correspondant aux caractéristiques de l’exercice relèvent de variables telles que la distance parcourue, les vitesses, les accélérations, la durée ou l’intensité de la séance d’entraînement. La charge interne peut être perçue comme l’ensemble des adaptations aiguës et chroniques (positives ou négatives) de l’organisme à la charge externe.
Les 3 principaux intérêts de l’utilisation de centrales inertielles sont probablement les suivants :
- Quantifier la charge externe : évaluation « objective » des demandes locomotrices de l’activité au cours d’un entrainement ou d’un match.
- Aider à la programmation et la prise de décision vers une charge d'entraînement optimale à la performance
- Prévenir les blessures (entraînement complémentaire ou séquences de déchargement, progression du retour au jeu).
*Monitoring de la charge : Méthodologie de suivi de la charge
V) Limites et perspectives
Pour autant il est important de garder un esprit critique, plusieurs limites peuvent être mises en avant concernant cet outil :
- Les biais potentiels créés par les filtres constituent un élément important pour choisir un dispositif sur le marché. L’expertise d’une entreprise produisant des centrales inertielles réside en partie, dans sa capacité à appliquer des filtres ne diminuant pas la fiabilité des mesures.
- Le choix des métriques est une étape primordiale pour l’analyse de données. Il est nécessaire de connaitre les méthodes mathématiques pour calculer chacune des métriques utilisées.
- Les boitiers ne sont pas placés au niveau du centre de masse de l’athlète, par conséquent on ne peut qu’estimer une potentielle charge car il manque une partie des mouvements dans la mesure.
L’avènement de nouvelles technologies toujours plus précises est encourageant pour la mise en place de protocoles rigoureux de quantification de la charge.
Notes *
Photos
MAJ refs
Références :
Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems, Paul Groves, 2013, Second Edition
Buchheit M, Simpson BM. Player-Tracking Technology: Half-Full or Half-Empty Glass? Int J Sports Physiol Perform. 2017;12(Suppl 2):S235–S241.
Quantifying External Load in Australian Football Matches and Training Using Accelerometers Luke J. Boyd, Kevin Ball, and Robert J. Aughe