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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 fondamentalefondamental 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’accélérationration, il est possible déterminer les forces appliquées sur un objet.objet, et donc son mouvement. 

 

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

Navigation,L'histoire des unités de mesure inertielle est étroitement liée aux progrès de la navigation et de la technologie aéronautique,rospatiale. spatial,Les téléphonepremiers systèmes de navigation inertielle remontent au début du XXème siècle, ils étaient principalement utilisés dans le domaine militaire (sous-marins, avions). Avec les progrès des micro-technologies à semi-conducteurs dans la seconde moitié du XXe siècle, les centrales inertielles auparavant encombrantes sont devenues plus petites, mais également plus fiables et moins énergivores. La miniaturisation et la réduction des coûts de la technologie des centrales inertielles, ont conduit à son utilisation auprès du grand public, dans les smartphones, les contrôleurs de jeux ou encore les voitures autonomes. Ces évolutions ont conduit à son apparition dans le domaine sportif, notamment dans les sports indoor où les systèmes GPS (Global Positionning System) ne sont pas exploitables. 

 

    download.png

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’ensemblela totalité 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 qued'obtenir leun 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.signal (ex : filtre de Kalman). Ils fournissent une estimation plus stable des données, mais potentiellement moins fiable.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,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 fonctionfonction d’intégration à partir de l’accélération. 

 


                                     

 

 

 

 

 

 

De nombreux algorithmes mathématiques peuvent être appliqués pour obtenir une multitude de métriques.

triques

: Acceleration Load, Player Load, Jump Load. Ces métriques sont propres à chaque système inertiel, et ne sont pas des indicateurs universels.  

*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,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 : 

  1. -          Quantifier la charge externe : évaluation « objective » des demandes locomotrices de l’activité au cours d’un entrainement ou d’un match.

    -match 

  2. Aider à la programmation et la prise de décision vers une charge d'entraînement optimale à la performance

  3. -          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 peuventdoivent être misesprises en avantcompte  concernant cet outil : 

  • -         Les biais potentiels créés par les filtres constituent un élément importantimportant, 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.

    métriques.

    -

  •      Le choix des métriques est une étape primordiale pour l’analyse de données. Il est nécessaire de connaitre et s’approprier les méthodes mathématiques pour calculer chacune des  métriques utilisées.

    es

    avant de quantifier quelconque charge.

  • -          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 externe car il manque une partie des mouvements dans la mesure.

 

L’avènement de nouvelles technologies toujours plus précisescises, est encourageant pour la mise en place de protocoles rigoureux de quantification de la charge. L'intégration avec d'autres technologies de capteurs, les algorithmes d'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle renforcent davantage les fonctionnalités des centrales inertielles dans diverses applications.

 

 

 

 

 

 

Notes *

Photos

MAJ refs

 

 

RéférencesBibliographie :

  1. PrinciplesBoyd ofLJ, GNSS,Ball Inertial,K, Aughey RJ. Quantifying external load in Australian football matches and Multisensortraining Integratedusing Navigationaccelerometers. Systems,Int PaulJ Groves,Sports 2013,Physiol SecondPerform. Edition2013 Jan;8(1):44-51. doi: 10.1123/ijspp.8.1.44. Epub 2012 Jul 31. PMID: 22869637.

  2. Buchheit M, Simpson BM. Player-Tracking Technology: Half-Full or Half-Empty Glass? Int J Sports Physiol Perform. 2017;12(Suppl 2):S235–S241.

  3. Chen KY, Bassett DR., Jr The technology of accelerometry-based activity monitors: Current and future. Med. Sci. Sports. Exerc. 2005;37:490–500.
  4. Godfrey A, Conway R, Meagher D, ÓLaighin G. Direct measurement of human movement by accelerometry. Med. Eng. Phys. 2008;30:1364–1386
  5. Groves, Paul Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems, Second Edition, 2013, ISBN : 9781608070060
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  7. Platonov VN. L’entraînement sportif, théorie et méthodologie. Paris: Revue EPS; 1988 289 p
  8. Quantifying External Load in Australian Football Matches and Training Using Accelerometers Luke J. Boyd, Kevin Ball, and Robert J. Aughe

  9. Steele BG, Holt RNL, Belza B, Ferris S, Lakshminaryan S, Buchner DM. Quantitating physical activity in COPD using a triaxial accelerometer. 

    Chest. 

    2000;117:1359–1367
  10. Veltink PH, Bussmann BJ, de Vries W, Martens WL, van Lummel RC. Detection of static and dynamic activities using uniaxial accelerometers. IEEE. Trans. Rehabil. Eng. 1996;4:375–385. 
  11. Yang, Che-Chang, et Yeh-Liang Hsu. « A Review of Accelerometry-Based Wearable Motion Detectors for Physical Activity Monitoring ». Sensors (Basel, Switzerland) 10, no 8 (20 août 2010): 7772‑88. https://doi.org/10.3390/s100807772.
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