Un vêtement intelligent bardé de capteurs à faible coût

La capture de mouvements « comprend la mesure de la position et de l’orientation d’un objet dans l’espace, puis l’enregistrement de l’information sous une forme utilisable par ordinateur. Les objets d’intérêt pour la capture de mouvements comprennent les corps humains et non humains, les expressions faciales, les positions de caméra ou de lumière et d’autres éléments se retrouvant dans une scène. » [1]. Les désavantages des systèmes actuels de capture de mouvements sont leur coût élevé de construction ainsi que le fait qu’il nécessite des installations particulières et coûteuses en raison de l’utilisation de sources externes.

En ce qui a trait à la navigation intérieure, la tendance est d’utiliser un système de positionnement local (LPS) relié à un réseau de capteurs externes complexe. Notre système offre les avantages suivants :

• Système de grande précision à faible coût;
• Mise en place facile et discrète, sans recours à des sources extérieures;
• Personnalisation possible selon l’application désirée grâce aux nombreuses fonctionnalités permettant aux étudiants et aux ingénieurs en gestion de données d’analyser facilement des technologies inertielles.

Le projet ibNav vise à utiliser des capteurs inertiels  microélectromécaniques (MEMS)  combinés à des algorithmes inertiels optimisés pour la capture de mouvements et la navigation intérieure pour marcheurs. La figure 1 décrit l’ensemble du système. Les caractéristiques de ce système sont les suivantes :

• Capture de mouvements : reconnaissance des mouvements du corps et représentation en 3D à l’aide d’algorithmes d’attitude et de position du système de référence (AHRS).

•  Navigation intérieure pour marcheurs : Affichage des déplacements sur une carte à l’aide d’algorithmes de système de navigation par inertie (INS), sans avoir recours à des sources externes.

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Figure 2: Exemple de types de mouvements reproduits en 3D [Img2]

Le prototype consiste en  un réseau couplant 14 unités de mesure inertielle (IMU) à faibles coûts utilisant des capteurs de type MEMS incorporées à un vêtement de façon à épouser chacune des articulations principales du corps. Les unités IMU (figure 5) sont composées d’accéléromètres, de capteurs géomagnétiques et de capteurs gyroscopiques (figure 4) qui mesurent les forces dans un référentiel de coordonnées cartésiennes et transmettent de l’information cinématique selon neuf degrés de liberté (DOF).

Figure 4 : exemple d’un gyroscope avec trois degrés de liberté de rotation [Img3]

Les mesures brutes et les données calculées (position, vitesse et attitude) sont récoltées pour chacune des unités IMU et passent par l’interface périphérique sérielle (SPI) pour être acheminées à l’unité IMU centrale. Les données calculées résultent d’un procédé de calibration suivi d’algorithmes de navigation à composants liés. Les algorithmes de calibration utilisent la méthode multi-positions couplée à un filtre Kalman élargi (EKF) et un détecteur de position. Les algorithmes de navigation utilisent des algorithmes d’attitude et de position du système de référence (AHRS) et un système de navigation par inertie (INS) dans une structure EKF pour plusieurs modèles. L’état de navigation fusionné est diffusé en trames de données non fragmentées dans un protocole de type Wi-Fi sur un appareil d’Apple, le iPad.

Une interface graphique (GUI) pour iPad a été créée afin d’effectuer d’autres recherches et développements  sur ce prototype. Il est possible d’afficher soit la représentation en 3D des mouvements d’un sujet, soit son déplacement sur une carte en temps réel ou en post-traitement. De plus, cette interface permet d’étudier la performance de la calibration, de la navigation et des algorithmes des modèles (qui forment les algorithmes inertiels) en compilant les données sous forme graphique. Elle offre aussi la possibilité de changer les paramètres (figure 6).

Usage possible

ibNav est un projet conçu pour offrir  une plateforme de recherche et développement pour de nombreuses applications industrielles. Ses utilisations potentielles sont nombreuses, principalement dans les quatre secteurs suivants : divertissement, sport, santé et militaire, pour n’en nommer que quelques-un.