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Unité de Mesure Inertielle (IMU)

Primo rédacteur : KUCUKASLAN Elisa

Création de la page : Novembre 2023

 

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 fondamental 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'il est possible de déterminer les forces appliquées sur un objet à partir de l'accélération de son centre d'inertie, et donc de décrire 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 d’algorithmes mathématiques, il est ainsi possible d’en déduire différentes métriques permettant de nous informer sur le déplacement 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

L'histoire des unitéscentrales de mesure inertielleinertielles est étroitement liée aux progrès de la navigation et de la technologie aérospatiale (Groves Paul, 2013). Les premiers systèmes de navigation inertielleinertiels 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 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 (Système de positionnement global) ne sont pas exploitables. 

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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 (Veltink, 1996). Les centrales inertielles à destination du domaine sportif sont préférentiellement composées de capteurs tridimensionnels, afin de connaitre les mouvements de l’athlète dans la totalité de l’espace (Godfrey 2008; Morris, 1973; Steele, 2000). 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).               

         

                                           

                                                                             

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 d'obtenir un signal bruité en raison de fluctuations aléatoires, pour contrecarrer cet effet il existe des filtres, ce sont des modèles mathématiques qui permettent d’obtenir un output lissé du signal (ex : filtre de Kalman). 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 (Groves Paul, 2013). 

               

Une fois les données finales récoltées, il est théoriquement possible de déterminer les variables de vitesse puis de position, en utilisant la fonction d’intégration à partir de l’accélération. Cependant au delà de l'aspect théorique il convient de noter que l'application d'une double intégrale sur les données d'accélérométrie implique plusieurs biais qui peuvent entacher la fiabilité des données. 

                                       

Par conséquent les fabricants de centrales inertielles, notamment dans le domaine sportif, se contentent de fournir des métriques qui utilisent les données brutes d'accélération (Buchheit, 2017; Chen, 2005). Des algorithmes mathématiques peuvent être appliqués pour obtenir diverses métriques : Acceleration Load, Accels Load, Decelaration Load, Mechanical Load, Player Load, Jump Load. Ces métriques sont propres à chaque système inertiel, et ne sont pas des indicateurs universels. En tant que préparateur physique, accompagnateur scientifique de la performance ou encore entraineur il est primordial de comprendre et définir les métriques utilisées pour quantifier les demandes locomotrices de l'activité. La classification ci-dessous est un exemple pouvant être retranscrit à travers différentes disciplines : 

(1) Volume = quantité totale de déplacement (distance, sauts, sprints...)

(2) Densité = quantité totale de déplacement relative au temps d'activité de l'athlète ( distance/min, sauts/min, sprints/min...)

(3) Intensité = valeur la plus élevée du déplacement (accélération max, décélération max, speed max...) 

(4) Charge mécanique = ensemble des accélérations et décélérations (accélérations, charge d'accélération, décélérations, charge de décélération...) 

Ces notions de volume, densité, intensité et charge mécanique permettent de simplifier la réflexion autour de ces nouvelles technologies, notamment dans une optique de monitoring et de planification.

*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 centrales inertielles peuvent constituer des indicateurs intéressants dans le monitoring de la charge*. La charge d’entrainement est 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 peut se mesurer de manière interne, ou de manière externe (Gabbett, 2016; Impellizzeri, 2005). Les mesures de charges externes correspondant aux caractéristiques de l’exerciceexercice, 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 est une réponse psycho-physiologique de l’organisme à la charge externe, elle peut être perçue comme l’ensemble des adaptations aiguës et chroniques positives ou négatives (Platonov, 1988). LeDe ce fait, le monitoring de la charge nécessite de s'enrichir d'une approche multivariée prenant en compte des mesures internes et externes de la charge d'entrainement (Dupond, 2007). Ainsi l’utilisation de centrales inertielles dans le monitoring de la charge présente les intérêts suivants (Boyd,2013; Yang, 2010) :  

  1. Quantifier la charge externe : évaluation « objective » des demandes locomotrices de l’activité au cours d’un entrainement ou d’un match.
  2. Aider à la programmation et la prise de décision vers une charge d'entraînement optimale pour chaque individu. 
  3.           Prévenir les blessures (séquences de compensation ou 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 primordial de garder un esprit critique, plusieurs limites doivent être prises en compte concernant l'utilisation des centrales inertielles :

  •          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 données. 
  •      Le choix des métriques est une étape primordiale pour l’analyse de données. Il est nécessaire de connaitre et s’approprier les   métriques utilisées 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 en théorie qu’estimer une potentielle charge externe car une partie des mouvements reste manquante dans la mesure (Gómez-Carmona, 2020).

L’avènement de nouvelles technologies toujours plus précises encouragent la mise en place de protocoles rigoureux de quantification de la charge. L'intégration avec d'autres technologies de capteurs (LPS : système de positionnement local), les algorithmes d'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle renforcent davantage les fonctionnalités des centrales inertielles dans diverses applications.

Sources :

  1. Boyd LJ, Ball K, Aughey RJ. Quantifying external load in Australian football matches and training using accelerometers. Int J Sports Physiol Perform. 2013 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. Dupond G, Bosquet L, Méthodologie de l'entrainement, 2007, ELLIPSES, ISBN : 9782729831905
  5. Gabbett TJ. The training-injury prevention paradox: should athletes be training smarter and harder? Br J Sports Med. 2016 Mar;50(5):273-80. doi: 10.1136/bjsports-2015-095788. Epub 2016 Jan 12. PMID: 26758673; PMCID: PMC4789704.

  6. Gómez-Carmona, C. D., Bastida-Castillo, A., González-Custodio, A., Olcina, G., & Pino-Ortega, J. (2020). Using an Inertial Device (WIMU PRO) to Quantify Neuromuscular Load in Running : Reliability, Convergent Validity, and Influence of Type of Surface and Device Location. Journal of Strength and Conditioning Research, 34(2), 365‑373. https://doi.org/10.1519/JSC.0000000000003106

  7. Godfrey A, Conway R, Meagher D, ÓLaighin G. Direct measurement of human movement by accelerometry. Med. Eng. Phys. 2008;30:1364–1386.
  8. Groves Paul, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems, Second Edition, 2013, ISBN : 9781608070060.
  9. Impellizzeri FM, Rampinini E, Marcora SM. Physiological assessment of aerobic training in soccer. J Sports Sci. 2005 Jun;23(6):583-92. doi: 10.1080/02640410400021278. PMID: 16195007.
  10. Morris JRW. Accelerometry—A technique for the measurement of human body movement. J. Biomech. 1973;6:729–736.
  11. Platonov VN. L’entraînement sportif, théorie et méthodologie. Paris: Revue EPS; 1988.
  12. 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.
  13. 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. 
  14. 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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