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Paramétrages

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1. FR3042979 - SYSTEME DE DETERMINATION D'UNE PUISSANCE PRODUITE PAR UN RAMEUR ET METHODE ASSOCIEE

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SYSTEME DE DETERMINATION D’UNE PUISSANCE PRODUITE PAR UN RAMEUR.
1. Domaine de l’invention.
L’invention concerne le domaine de l’évaluation de la performance du rameur, et plus particulièrement la mesure de la puissance développée au cours d’un coup de rame ou d’aviron.
2. Etat de l’art.
Il est fréquent que des sportifs travaillent à l’amélioration de leurs performances, et ce quel que soit le sport pratiqué. Cela requiert d’avoir accès à des techniques d’évaluation de leurs performances courantes, afin d’établir un référentiel à partir duquel progresser. Selon le sport pratiqué, il est possible que la performance dépende d’un grand nombre de paramètres tels que, à titre d’exemple, un positionnement du corps du sportif, une régularité dans l’effort, mais aussi une qualité de synchronisation de ses gestes avec les gestes d’un co-équipier.
En aviron, de nombreuses techniques existent, qui visent à mesurer l’effort développé au cours d’un coup d’aviron, par la mesure d’un couple exercé sur une dame de nage (support d’aviron). D’autres techniques utilisent des centrales à inertie, dont certaines sont placées sur un aviron, afin d’étudier la variation de position angulaire de l’aviron dans le temps. La publication scientifique « MONITORING AND EVALUATION OF ROWING PERFORMANCE USING MOBILE MAPPING DATA” (Athanasios Mpimis, Vassilis Gikas ; Archives of Photogrammetry, Cartography and Remote Sensing, Vol. 22, 2011, pp. 337-349 - ISSN 2083-2214) décrit un système d’acquisition de données d’une embarcation comprenant une pluralité de capteurs, dont des accéléromètres et gyroscopes. La publication scientifique « An IMU-based Sensor Network to Continuously Monitor Rowing Technique on the Water”, de Bernd Tessendorf, Franz Gravenhorst, Bert Arnrich et Gerhard Troster, Wearable Computing Lab., ETH Zurich, Gloriastr. 35, 8092 Zurich, Switzerland) décrit un système de métrologie en aviron comportant une pluralité de centrales à inertie, notamment à bord d’un bateau et sur un aviron, adaptés à mesurer les mouvements de l’aviron dans le temps.
Ces méthodes, bien qu’utiles, ne permettent pas une bonne détermination de la puissance développée sur l’aviron, et par voie de conséquence de la puissance développée par une palette d’aviron dans l’eau, au cours de la pratique en environnement réel.
Des recherches ont permis d’établir que la détermination d’une puissance développée représente une caractéristique des plus pertinente pour l’appréciation de la performance du ou des rameurs.
Les méthodes existantes permettent d’obtenir des informations plus ou moins représentatives de cette puissance, mais ne permettent pas de définir cette puissance précisément.
3. Résumé de l’invention.
L’invention permet d’améliorer au moins l’un des inconvénients de l’état de l’art en proposant un système de détermination d’une puissance produite par un rameur, par exemple en aviron. Le système comprend au moins un aviron (ou rame). L’aviron comprend une première centrale à inertie (encore appelée usuellement centrale inertielle) et une seconde centrale à inertie et coopère avec une embarcation, laquelle comprend une troisième centrale à inertie. Le système comprend en outre un module de calcul d’une puissance, lui-même comprenant : un premier module de détermination d’une déformation angulaire de l’aviron au cours de tout ou partie d’une phase d’immersion d’une palette de cet aviron, un second module de détermination d’un moment d’une force estimé sur une dame de nage supportant l’aviron pendant une phase d’immersion partielle ou entière de la palette de l’aviron, un troisième module de détermination d’une rotation de la première centrale autour d’un axe vertical de la troisième centrale à inertie.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la première centrale à inertie est positionnée sensiblement proche de ladite dame de nage.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la seconde centrale à inertie est positionnée sensiblement proche de ladite palette dudit aviron.
Avantageusement, la troisième centrale à inertie est positionnée sur un plan horizontal de l’embarcation.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les premier, second et troisième modules sont compris dans un même dispositif de calcul. L’invention concerne également une méthode dans le système précité, pour la détermination d’une puissance produite par un rameur, la méthode comprenant notamment : une détermination d’une déformation angulaire de l’aviron au cours de tout ou partie d’une phase d’immersion d’une palette de cet aviron, une détermination d’un moment d’une force estimé sur une dame de nage supportant cet aviron pendant la phase d’immersion, partielle ou entière, de la palette de cet aviron, une détermination d’une rotation de la première centrale autour d’un axe vertical de la troisième centrale à inertie. L’invention concerne enfin un produit programme d’ordinateur chargeable directement dans la mémoire interne d’un ordinateur comprenant des portions de code de logiciel pour l’exécution des étapes de la méthode décrite ci-avant, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
4. Liste des figures.
L’invention sera mieux comprise, et d’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente un système de détermination d’une puissance produite par un rameur en aviron selon un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention.
5. Description détaillée de modes de réalisation de l’invention.
La figure 1 représente un système de détermination d’une puissance produite par un rameur en aviron selon un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention.
Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, l’embarcation (bateau) BOAT représentée sur la figure 1 comprend deux avirons OAR dont un seul est représenté sur la figure. Chacun des avirons OAR est porté par un dispositif dit « dame de nage » qui opère comme un support articulé et facilite les mouvements des avirons, contrôlés par un rameur. Au moins l’un des deux avirons OAR est équipé de centrales à inertie. Cet aviron OAR équipé porte au moins deux centrales à inertie IMU1 et IMU2 respectivement positionnées proche de la dame de nage et proche de la palette de l’aviron. Une troisième centrale à inertie IMU3 est fixée sur un plan horizontal de l’embarcation BOAT. Les trois centrales à inertie IMU1, IMU2 et IMU3 sont reliées par des liens de communications sans-fil adaptés pour communiquer selon un ou plusieurs protocoles de communications sur des courtes distances, avec un module de calcul COMP et éventuellement entre eux. Les protocoles de communication sans-fil mis en œuvre sont, à titre d’exemples, compatibles avec les normes bluetooth, WiFi 802.11, etc. Bien évidemment, ces exemples ne sont pas limitatifs et n’importe quelle interface de communication filaire ou sans-fil peut être utilisée. Selon le mode de réalisation préféré, le modèle de calcul COMP est embarqué sur le bateau (embarcation BOAT). Selon une variante du mode de réalisation, le modèle de calcul peut être déporté sur une embarcation voisine ou établi à une distance compatible avec une bonne qualité de communication à distance avec les centrales à inerties interfacées pour ce faire.
Le module de calcul COMP est par exemple alimenté par des batteries lui garantissant une autonomie adapté à la mesure de performance tout au long d’une séance d’entrainement d’un ou plusieurs rameurs, voire au cours d’une compétition. Selon une variante du mode de réalisation, le module de calcul COMP est alimenté par des dispositifs convertisseurs d’énergie transformant une grandeur physique en grandeur électrique (panneaux solaires, par exemple). Le module de calcul COMP comprend une pluralité de modules de calcul dédiés, parmi lesquels COMP1, COMP2 et COMP3 respectivement adaptés à une détermination S1 d’une déformation angulaire d’un aviron OAR au cours de tout ou partie d’une phase d’immersion d’une palette de l’aviron OAR, à une détermination S2 d’un moment d’une force estimé sur une dame de nage RS supportant l’aviron OAR pendant une phase d’immersion partielle ou entière de la palette de l’aviron OAR, et une détermination S3 d’une rotation de la première centrale IMU1 autour d’un axe de la troisième centrale à inertie IMU3.
Chacun des modules (ou sous-modules) COMP1, COMP2 et COMP3 comprend classiquement un ou plusieurs microcontrôleurs, au moins une mémoire vive dite mémoire de travail, au moins une mémoire non-volatile dite mémoire de stockage, un circuit de remise à zéro et de supervision d’énergie, un ou plusieurs bus de communication externes, une ou plusieurs interfaces de communication notamment compatibles avec les interfaces de communication des centrales à inerties IMU1, IMU2 et IMU3. L’une des interfaces de communication est adaptée à une extraction des données de métrologie enregistrées au cours des séances d’entraînement ou de compétition dont les données de puissances déterminées à la dame de nage. Une telle extraction peut être réalisée au moyen d’une connexion filaire ou sans-fil à un dispositif de type ordinateur portable, tablette, smartphone ou tout autre équipement similaire configuré pour la lecture et/ou une exploitation plus développée de ces données.
Selon une variante du mode de réalisation de l’invention, les modules COMP1, COMP2 et COMP3 sont confondus dans un dispositif unique.
Avantageusement, le système selon l’invention est adapté à la détermination d’une puissance PROW produite par le rameur, par exemple lors d’un coup d’aviron OAR, en situation écologique, c’est-à-dire, en situation réelle de pratique.
Selon l’art antérieur, la puissance PROW, exprimée à la dame de nage en condition écologique est le paramètre mécanique le plus pertinent pour quantifier et analyser la performance d’un rameur. Les rameurs utilisent d'ailleurs ce paramètre PROW comme indicateur de la qualité de l'entraînement lors de leurs séances sur ergomètre. En situation réelle de pratique des solutions techniques existent pour mesurer la puissance produite à la dame de nage, impliquant d'utiliser des avirons et/ou des dames de nages instrumentées. L'intégration de ces capteurs lors de séances en bateau n'est pas simple et implique un temps de préparation conséquent du bateau, rendant l'utilisation de ces mesures complexe et pour l'instant circonscrites au plus haut niveau.
Les systèmes et procédés envisagés selon l’invention, proposent une mesure de la puissance de force PROW développée par le rameur via l'utilisation des trois centrales inertielles IMU1, IMU2 et IMU3. Ces centrales pouvant très facilement se fixer sur le bateau BOAT et l'aviron OAR, le système proposé est très simple à mettre en place et pourrait être utilisé en routine à l'entraînement. Les centrales à inerties IMU1, IMU2 et IMU3 peuvent être positionnées très rapidement et fixées avec des liens classiques, tels que des bandes de fixation auto-aggripantes (dites « velcro ») à titre d’exemple. Il en est de même pour le module de calcul COMP quand celui-ci est embarqué à bord de l’embarcation BOAT.
Les centrales inertielles IMU1, IMU2 et IMU3 représentées figure 1 sont avantageusement et astucieusement configurées pour le calcul de la puissance PROW produite à la dame de nage par détermination à la fois du moment de force exercée et de la vitesse angulaire de l’aviron au niveau de la dame de nage.
Les centrales inertielles IMU1, IMU2 et IMU3 comprennent chacune au moins trois gyroscopes, un accéléromètre tridimensionnel et un magnétomètre coopérant à établir, pour chacune des centrales à inertie, sa situation dans un référentiel unique. Selon un mode de réalisation de l’invention, la première centrale inertielle IMU1 est positionnée sur un manchon rigide de la rame/aviron OAR situé proche de la dame de nage et la seconde centrale IMU2 est placée au plus proche de la palette de l’aviron OAR pour mesurer la déformation maximale de l’aviron. La troisième centrale IMU3 est fixée dans un plan horizontal du bateau en vue d’obtenir une rotation autour d’un axe vertical coïncidant avec celui de la dame de nage. La fixation de chacune des centrales IMU1, IMU2 et IMU3 est effectuée à l’aide d’un système de fixation propre. Ce système doit être suffisant pour assurer un maintien stable de la centrale inertielle respectivement à l’aviron OAR ou à l’embarcation BOAT.
Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, les centrales inertielles IMU1 et IMU2 sont configurées pour déterminer une déformation angulaire de l’aviron OAR lors d’un coup de rame. Selon la théorie de la résistance des matériaux (domaine de la déformation élastique linéaire), le moment de force appliqué sur l’aviron OAR est directement proportionnel à la déformation angulaire de l'aviron.
Des données transmises par les centrales IMU1 et IMU2 sont utilisées afin de déterminer cette déformation angulaire instantanée. Chacun de ces deux centrales utilise les données des trois gyroscopes, de l’accéléromètre et du magnétomètre qui lui sont propres pour donner l’orientation de la centrale inertielle dans un repère terrestre, à chaque instant. L’orientation des centrales IMU1 et IMU2 est donnée respectivement sous la forme de quaternions contenus dans des vecteurs Q1 et Q2 :
Q1 = [x1 ;
y1 ;
z1 ;
w1] Q2= [x2 ;
y2 ;
z2 ;
w2] x1, y1 et z1 donnent les composantes du vecteur rotation de la centrale IMU1 dans le repère terrestre et w1 est un scalaire correspondant à la valeur de la rotation autour de ce vecteur. x2, y2 et z2 donnent les composantes du vecteur rotation de la centrale IMU2 dans le repère terrestre et, w2 est un scalaire correspondant à la valeur de la rotation autour de ce vecteur. A chaque instant, la déformation angulaire de la centrale IMU2 par rapport à la centrale IMU1 se détermine en deux étapes en utilisant des matrices rotations.
Une première étape consiste à déterminer une orientation relative de repos, c’est-à-dire sans chargement, entre les deux centrales inertielles lors d’une phase statique sans déformation de l’aviron OAR. Cette orientation relative de repos permet de recaler l’orientation relative calculée ensuite lors d’une déformation de l’aviron du fait de la puissance dissipée. Cette orientation relative de repos est déterminée en calculant les matrices rotations repo^iet repo°/?2 donnant respectivement l’orientation des centrales IMU1 et IMU2 par rapport au repère terrestre noté « 0 » :
Une matrice rotation relative est ensuite déterminée pour caractériser l’orientation relative entre les centrales inertielles IMU1 et IMU2 disposées sur l’aviron OAR.
Des essais de calibration statique et de cycle d’aviron permettent le calcul d’une matrice rotation relative movlR2 entre les centrales IMU1 et IMU2, et ce, à chaque instant.
Selon le mode de réalisation de l’invention, il est ensuite possible de déterminer une matrice rotation 1R2 à partir des matrices rotation relatives repoli et movlRi pour établir la rotation relative due à la seule déformation de la rame / aviron OAR en charge
Le quaternion représentant la rotation entre les deux centrales est déduit de 1R2 :
La déformation angulaire instantanée exprimée en radians est alors déterminée par la formule :
La théorie de la résistance des matériaux indique que la déformation angulaire est linéairement liée au moment de force appliqué dans le domaine de déformation élastique linéaire. Ainsi, une calibration est réalisée aux fins d’obtenir une relation linéaire entre la déformation angulaire moyenne et un moment de force estimé à la dame de nage (TR0W) :
où a et b sont des coefficients déterminés par régression linéaire. En supposant une valeur de moment de force nulle pour une déformation angulaire nulle, la valeur de la constante b est fixée à 0 et retirée de l’équation précédente.
La puissance du moment de force exercé à la poignée {Pmain) requiert une détermination d’une vitesse angulaire de la rame OAR dans un plan horizontal. La centrale inertielle IMU3 est fixée dans le plan horizontal de l’embarcation (du bateau) BOAT afin d’obtenir une rotation autour d’un axe vertical coïncident avec celui de la dame de nage supportant l’aviron OAR.
Une procédure similaire à celle expliquée ci-avant est utilisée pour déterminer une rotation instantanée de la rame autour d’un axe vertical du bateau.
Une nouvelle matrice rotation mov%R3 peut être calculée à partir des quaternions contenus dans le vecteur Q3 et donnant l’orientation de la centrale inertielle IMU3 dans un repère terrestre au cours du temps :
Une matrice rotation relative m0veRi est calculée pour caractériser l’orientation relative entre les centrales IMU3 et IMU1 :
où moveRi est la matrice rotation donnant l’orientation de la centrale IMU1 dans le repère terrestre, et, moveRl est la transposée de la matrice rotation
La rotation de la centrale inertielle IMU1 autour de l’axe vertical de la centrale inertielle IMU3 est déduite de la manière suivante:
Il est possible de déterminer une puissance exprimée à la dame de nage PR0W de la manière suivante :
movîài correspond à la vitesse angulaire de la centrale inertielle IMU1 autour de l’axe vertical de la centrale inertielle IMU3 supposé parallèle à celui de la dame de nage.
L’invention ne concerne pas le seul mode de réalisation décrit mais s’applique à tout système comprenant un module de détermination d’une déformation angulaire d’une rame ou d’un aviron au cours de tout ou partie d’une phase d’immersion d’une palette de cet aviron, un module de détermination d’un moment d’une force estimé sur une dame de nage supportant l’aviron pendant une phase d’immersion partielle ou entière de la palette de l’aviron, ainsi qu’un module de détermination d’une rotation de la première centrale à inertie autour d’un axe vertical de la troisième centrale à inertie. L’invention s’applique également à toute méthode de détermination d’une puissance dissipée lors d’un coup de rame ou d’aviron comprenant les trois étapes de détermination ci-avant.