************************ Système de reconstruction cinématique corps entier : fusion et exploitation de données issues de MEMS

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1 pour l obtention du Grade de DOCTEUR DE L UNIVERSITE DE POITIERS (Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées) (Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006) Ecole Doctorale : Science et Ingénierie en Matériaux Mécanique Energétique et Aéronautique (N 522) Secteur de Recherche : Traitement du signal et des images Présentée par : Pierre Grenet Institut P Poitiers CEA-Leti Grenoble Movea ************************ Système de reconstruction cinématique corps entier : fusion et exploitation de données issues de MEMS ************************ Directeur de Thèse : Patrick Lacouture (Institut P, Poitiers) ************************ Soutenue le 6 juin 2011 devant la Commission d Examen ************************ Encadré par Viviane Cattin (CEA-Leti, Grenoble) Yanis Caritu et Bruno Flament (Movea, Grenoble) Cyril Breque (Institut P, Poitiers) JURY Philippe Gorce Kamiar Aminian Noureddine Manamanni Franck Multon Pierre-Brice Wieber Université du Sud Toulon-Var Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Université de Reims Champagne Ardenne Université de Rennes 2 INRIA Grenoble Rhône-Alpes Président Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Résumé La démocratisation des MEMS a permis l essor des centrales d attitude : groupement de capteurs permettant d évaluer son orientation par rapport au repère terrestre. Il existe plusieurs types de capteurs utilisés dans de telles centrales : les accéléromètres, les magnétomètres et les gyromètres. Seule la combinaison accéléromètres - magnétomètres gyromètres permet l estimation de l orientation cinématique de façon satisfaisante, sans connaitre d a priori sur le mouvement, c'est-à-dire l estimation de l orientation en présence d accélération inconnue. Le sujet de la thèse est justement, dans le cadre de la captation de mouvement corps entier, d ajouter des connaissances a priori afin de limiter le nombre de gyromètres, voire de les supprimer totalement. Ces connaissances sont l information que les capteurs sont fixés sur un squelette et que leurs mouvements relatifs ne peuvent être que des compositions de rotations. Pour tester l efficience de cette méthode, on l applique d abord sur un pendule simple à un degré de liberté, puis sur un pendule à trois degrés de liberté, ensuite sur des groupes de segments (épaule bras avant-bras par exemple) et sur le corps entier. Ce rapport de thèse développera les aspects théoriques ainsi que les résultats obtenus sur les différentes méthodologies de résolution. CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER

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3 Système de reconstruction cinématique corps entiers fusion et exploitation de données issues de MEMS CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 3/230

4 Glossaire Glossaire Physique G : le champ G est le champ gravitationnel terrestre. Il est vertical orienté vers le bas. Sa valeur en module est de 9.81 m.s -2. Dans la suite, il servira d unité de mesure pour les accélérations et sera donc normalisé à 1 (1 G). B : le champ B est le champ magnétique terrestre (voir pour les généralités sur le champ magnétique terrestre). DDL (Degré De Liberté) : le nombre de degrés de liberté d une liaison en mécanique est le nombre de mouvements relatifs entre une pièce et le support par rapport auquel on exprime le mouvement. Le nombre maximum est de six (trois translations plus trois rotations). Informatique Librairie : une librairie est une liste de fonctions regroupées, en français on parle plutôt de CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 4/230

5 Glossaire bibliothèque de fonctions. API (Application Programming Interface) : une API est une bibliothèque de fonctions compilée sous la forme d un fichier utilisable dans un langage de programmation. MDK (Motion Developpment Kit) : le MDK est le nom de l API commercialisée par la société Movea. DLL (Dynamic-link library) : une DLL est une librairie compilée sous Windows. PCB (Printed Circuit Board) : un PCB est synonyme de circuit imprimé, en électronique. CSV (Comma-Separated Values) : le CSV est un format informatique ouvert représentant des données tabulaires sous forme de «valeurs séparées par des virgules». Institut, entreprise CEA (Commissariat à l Energie Atomique et aux Energies Alternatives) : le CEA est historiquement l institut français de recherche dans le domaine du nucléaire. Ses domaines de compétence ont été au fil des années agrandis pour aller de la robotique aux sciences du vivant. LETI (Laboratoire d Electronique et des Technologies de l Information) : le LETI est un institut du CEA travaillant dans le domaine général de l électronique et de l informatique. Il est essentiellement basé à Grenoble. LIST (Laboratoire d Intégration des Systèmes et des Technologies) : le LIST est un institut du CEA travaillant principalement sur la robotique et l informatique. Il est basé sur les centres CEA de Saclay et Fontenay aux Roses. CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 5/230

6 Glossaire LMS (Laboratoire de Mécanique du Solide) : le LMS est un ancien laboratoire mixte CNRS/Université de Poitiers. Depuis le 1 janvier 2010, il a disparu et ses équipes font partie de l institut P. Movea : Movea est une start-up issue du CEA-LETI en Elle commercialise des solutions inertielles de captation de mouvement. Xsens : Xsens est une société commercialisant des solutions de captation de mouvement inertiel mono-point et multipoint pour la captation corps entier. A.R.T. : A.R.T est une compagnie allemande de captation de mouvement. Elle commercialise une solution de captation mouvement optique. GIPSA-Lab : GIPSA-Lab est une unité mixte de recherche (UMR 5216) du CNRS, de Grenoble INP, de l'université Joseph Fourier et de l'université Stendhal. Ses thèmes de recherche sont l automatique, le traitement des images, du signal, de la parole et la cognition. Nintendo TM : Nintendo est une marque de jeux vidéo et de consoles de jeux Microsoft TM : Microsoft est un éditeur de logiciel très connu. Il a mis le pied dans la captation de mouvement avec le périphérique Kinect Praxim TM : Praxim est une entreprise spécialisée dans la chirurgie assistée par ordinateur Intersense TM : Intersense est une société qui commercialise des solutions de captation de mouvement Mathworks : Mathwork est un éditeur de logiciel scientifique. Polhemus TM : Polhemus est une des sociétés pionnières de captation de mouvement. CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 6/230

7 Glossaire Ascension TM : Ascension est une des sociétés pionnières de captation de mouvement. Animazoo TM : Animazoo commercialise des solutions de captation de mouvement corps entier Produits MEMS (MicroElectroMechanical Systems) : un MEMS est un microsystème comprenant un ou plusieurs éléments mécaniques, utilisant l'électricité comme source d'énergie, en vue de réaliser une fonction de capteur et/ou d'actionneur avec au moins une structure présentant des dimensions micrométriques. LED (Light-Emitting Diode) : une LED est un composant électronique capable d émettre de la lumière lorsqu il est parcouru par un courant électrique. Centrale d attitude : une centrale d attitude est un regroupement de capteurs capable d estimer son orientation. MotionPod TM : la MotionPod (ou MPod) est la centrale d attitude commercialisée par Movea. Il existe plusieurs versions. StarWatch : la StarWatch (nom non officiel) est le prototype de la MotionPod développé au CEA-LETI. MTx TM : le MTx est une centrale d attitude développée par la société Xsens. Wii TM : La Wii est une console de jeu vidéo de Nintendo TM Kinect TM : Kinect est un périphérique destiné à la Xbox TM de Microsoft TM CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 7/230

8 Glossaire Coda Motion TM : le Coda Motion est une solution de captation de mouvement à marqueurs infrarouges actifs Vicon TM : Vicon est une des plus célèbres solutions de captation de mouvement optique Nexus TM : Nexus est un logiciel d utilisation du système Vicon. A.R.T. TM : ART est une solution de captation de mouvement optique. Aurora TM : Aurora est une solution de captation de mouvement à champ magnétique artificiel développée par de NDI Calipso TM : Calipso est une solution de captation de mouvement à champ magnétique artificiel Sixense TM : Sixense est un périphérique de jeu vidéo fonctionnant avec des champs magnétiques artificiels Moven TM : Moven est une solution de captation de mouvement inertielle corps entier développé par Xsens Xbus Masters TM : Le Xbus Masters est un périphérique d acquisition des MTx Scilab TM : Scilab est un logiciel libre de calcul scientifique développé par l INRIA Simulink TM : Simulink est un logiciel de simulation numérique développé par Mathwork SimMeca TM : SimMeca est une toolbox de Simulink pour la mécanique SimScape TM : SimScape est une toolbox de Simulink pour la physique CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 8/230

9 Glossaire Matlab TM : Matlab est un logiciel de calcul scientifique édité par Mathwork IGS-180 TM : l IGS-180 est une solution corps entier commercialisé par Animazoo. CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 9/230

10 Sommaire CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 10/230

11 Sommaire Sommaire Glossaire... 4 Physique... 4 Informatique... 4 Institut, entreprise... 5 Produits... 7 Sommaire Table des illustrations Figures Tableau Introduction Chapitre Etat de l art Systèmes de captation de mouvement à une référence fixe Les systèmes Optiques Principe Avantage et inconvénients Principaux fabricants CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 11/230

12 Sommaire Coda Motion TM Vicon TM A.R.T. TM Les systèmes à mesure de distance Systèmes de captation de mouvement embarqué Exosquelettes Système inertiel et magnétique Autres systèmes Choix du type de systèmes Rappel sur les critères industriels Récapitulatifs des avantages et inconvénients des différents systèmes. 34 Conclusion Enjeux de la captation inertielle et magnétique de mouvement cinématique Avant-propos : Hypothèse pseudo-statique Algorithme d estimation dans l hypothèse pseudo-statique Optimisation QUEST - TRIAD UAM Solutions pour la cinématique Approche locale cinématique: 3A3M3G Moven TM Animazoo TM Multipoint ou méthode globale Accélération d un point connu HuMaNS Conclusion Chapitre 2 Capteurs Magnétomètre Champ magnétique terrestre ou champ de Gauss [FONADE 03] Principaux magnétomètres du marché (issu de l état de l art) CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 12/230

13 Sommaire Modèle de mesure Perturbation magnétique Calibration capteur (ou calibration électronique) Prétraitement capteur : normalisation et mise à l échelle Accéléromètre Principe Principaux accéléromètres du marché (issu de l état de l art) Modèle de mesure Calibration capteurs (ou calibration électronique) Prétraitement capteur : normalisation et mise à l échelle Gyromètre Principe Principaux gyromètres du marché (issu de l état de l art) Modèle de mesure Biais Calibration capteur (ou calibration électronique) Centrale d attitude Type de centrale Centrales du commerce Centrales utilisées pendant la thèse MotionPod TM Hardware Logiciels associés Xsens Calibration conjointe Conclusion Chapitre 3 Modélisation du corps humain Description du modèle poly-articulé Description corps humain en tant que chaîne articulée Matrice de transformation CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 13/230

14 Sommaire Chaine articulée avec référence relative Expression des matrices de transformation Formulation finale Chaine articulée avec référence terrestre Expression des matrices de transformation Formulation finale Conclusion Point fixe Choix du paramétrage Rotation Matrice Quaternion Triplet d angles Conclusion Vecteur de mesure : Modèle direct Simulations des mesures Bruits de mesure Bruits classiques Bruits additifs gaussiens Biais dû à la température Bruits de peaux Schéma du modèle de mesure Conclusion Chapitre 4 Validation du modèle direct Critère d évaluation du modèle direct Validation du modèle à un segment sur un pendule à 1 et 3 DDL Description de l expérience Méthodes optiques mise en œuvre Calibration géométrique avec des marqueurs optiques Angles et dérivées CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 14/230

15 Sommaire Résultat sur un mouvement 1 DDL Résultat sur un mouvement guidé 3 DDL Validation du modèle direct à deux segments avec Simulink TM Présentation du modèle Simulink TM Résultats Simulink TM Conclusion Chapitre 5 Résolution hybride Kalman Résolution globale Prise en compte des dérivées Description de l algorithme Filtre de Kalman classique ou simple Choix du type de filtre de Kalman : EKF ou UKF Fonction d évolution ou prédiction Fonction de mesure Résultats avec le filtre de Kalman simple Pendule : comparaison avec les estimations optiques Mouvement 1 DDL Mouvement à 3 DDL Limites et sensibilités des algorithmes Erreur d orientation des capteurs Erreur de positionnement des capteurs Etude de la fréquence d échantillonnage Conclusion sur les limites Résultat en multipoint Modèle hybride Détection statique ou pseudo statique Prédiction de l accélération d ensemble Réglage des covariances Réglage de base Réglage dynamique CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 15/230

16 Sommaire Normalisation des états Conclusion Chapitre 6 Validation modèle inverse Evaluation du système de reconstruction Rendu visuel Critères chiffrés Tests corps entier en simulation Base de données de gestes : exemple du format BVH Description succincte de la base de geste Systèmes testés Configuration AM Configuration AM+xG : étude du nombre de gyromètre Configuration AM+6G Influence de la durée Apport des différents éléments de l algorithme Configuration AMG Tests temps réel et démonstrateur Calibration géométrique Première étape : Orientation Deuxième étape : longueurs de segments et des positions des capteurs189 Fonctionnement démonstrateur Conclusion Conclusion et Perspectives Bibliographie Communications soumises et brevets Conférence et colloque Brevet déposé Brevet en cours Annexes Chapitre Mathématique et automatique CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 16/230

17 Sommaire 1.1.Représentation d état Caractérisation d un problème inverse sous forme de représentation d état Problème bien posé Observabilité Observabilité globale et locale Locale Détectabilité Optimisation Minimisation Kalman EKF UKF Factorisation Chapitre 2 Format BVH CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 17/230

18 Table des illustrations CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 18/230

19 Table des illustrations Table des illustrations Figures Fig. 1 : Erreur angulaire en fonction de la norme de l accélération parasite non corrigeable Fig. 2 : Schéma explicatif de la partie corrigeable de l'accélération propre Fig. 3 : Schéma explicatif de l'algorithme UAM Fig. 4: Coupe transversale de la Terre [FONADE 03] Fig. 5 : Schéma du champ magnétique [FONADE 03] Fig. 6 : Schéma de principe d'un accéléromètre ([JAGER 07]) Fig. 7 : Schéma et photos de différents types d'accéléromètres [DELAPIERRE 09] Fig. 8 : Evolution du bruit des accéléromètres ([DELAPIERRE 09]) Fig. 9 : Schéma de principe du gyromètre Fig. 10 : Evolution du marché et du prix des accéléromètres MEMS Fig. 11 : Evolution du marché et du prix des gyromètres MEMS Fig. 12 : Schéma de la calibration conjointe Fig. 13 : Description des repères liés aux segments Fig. 14 : Différence d'erreur de linéarisation sur le magnétomètre CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 19/230

20 Table des illustrations Fig. 15 : Différence de l'erreur de linéarisation sur l accéléromètre Fig. 16 : Schéma de description des angles de Cardan Fig. 17 : Schéma fonctionnel logiciel Fig. 18 : Schéma de perturbation des mesures Fig. 19 : Gros plan sur le capteur (MotionPod TM ) Fig. 20 : Photo du pendule étudié Fig. 21 : Schéma explicatif du pendule Fig. 22 : Mouvement du centre du capteur (MotionPod TM ) Fig. 23: Mesure accélérométrique réelle et simulée Fig. 24: Mesure accélérométrique réelle et simulée (zoom) Fig. 25: Mesure magnétométrique réelle et simulée Fig. 26: Mesure magnétométrique réelle et simulée (zoom) Fig. 27 : Mouvement du capteur (MotionPod TM ) Fig. 28 : Mesure accélérométrique réelle et simulée Fig. 29 : Mesure magnétométrique réelle et simulée Fig. 30 : Transformée de Fourrier de la norme de l'accélération mesurée Fig. 31 : Transformée de Fourrier de la norme de l'accélération simulée Fig. 32 : Schéma de l'accéléromètre sous Simulink TM Fig. 33 : Schéma du magnétomètre sous Simulink TM Fig. 34 : Schéma du gyromètre sous Simulink TM Fig. 35 : Schéma centrale d'attitude sous Simulink TM Fig. 36 : Schéma pendule double sous Simulink TM Fig. 37 : Schéma du moteur angulaire Fig. 38 : Schéma explicatif de la validation Simulink TM Fig. 39 : Différence entre mesures Simulink TM et Matlab TM sur le premier segment Fig. 40 : Différence et comparaison entre Simulink TM et Matlab TM sur le deuxième segment Fig. 41 : Erreur angulaire d'estimation Fig. 42 : Comparaison des angles Vicon TM et ceux reconstruits Fig. 43 : Comparaison des angles Vicon TM et ceux reconstruits (zoom) Fig. 44 : Distance entre les points reconstruits par Vicon TM et ceux par notre algorithme CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 20/230

21 Table des illustrations Fig. 45 : Erreur angulaire d'estimation Fig. 46 : Angles estimés par Vicon TM et par notre algorithme Fig. 47 : Distance entre les points reconstruits par Vicon TM et par notre algorithme Fig. 48 : Angles estimés par Vicon TM Fig. 49 : Erreur angulaire moyenne de reconstruction Fig. 50 : Erreur angulaire moyenne selon la norme de l erreur de position Fig. 51 : Erreur angulaire moyenne en fonction de la fréquence d échantillonnage Fig. 52 : Schéma fonctionnel de l'algorithme hybride (Kalman statique) Fig. 53 : Erreur de prédiction sur 10 échantillons Fig. 54 : Les deux versions du BVH Player Fig. 55 : Caractéristique de la base de geste Fig. 56 : Moyenne par segment de l'erreur en distance Fig. 57 : Critère moyen et marge à 95 % en fonction de la configuration Fig. 58 : Résultat de l'algorithme pour les fichiers de la base BVH Fig. 59 : Critère de distance par segment et par échantillons Fig. 60 : Profil d'erreur de reconstruction de deux exemples longs : un stable, un divergeant Fig. 61 : Schéma des postures de la calibration d'orientation Fig. 62 : Fonctionnement logiciel du démonstrateur ([MANSOUR 11]) Fig. 63 : Interface graphique SkelViewer Fig. 64 : Copie d'écran du film de démonstration Tableau Tableau 1 : Configuration de captation de mouvement inertielle et magnétique Tableau 2: Caractéristique de la combinaison Moven TM Tableau 3 : Caractéristique du système IGS-180 TM de Animazoo TM Tableau 4 : Gamme de mesure des magnétomètres ([JAGER 07]) Tableau 5 : caractéristiques des accéléromètres par utilisation ([DELAPIERRE 09]) Tableau 6 : Coût, consommation et possibilités de métrologie CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 21/230

22 Table des illustrations Tableau 7 : Etat de l'art des centrales d'attitude du commerce (source Movea) Tableau 8 : Description des segments du squelette BVH Tableau 9 : Caractéristique de la base de geste Tableau 10 : Statistique sur la base d'exemple BVH Tableau 11 : Performance de l'algorithme en fonction des gyromètres Tableau 12 : Résultat de l'algorithme en fonction des méthodes activées Tableau 13 : Comparaison entre algorithme AMG multipoint et AGM monopoint CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 22/230

23 Introduction Introduction La captation de mouvement est une technique en plein essor. Son emploi se généralise à partir de ses premiers domaines d utilisation que sont la médecine et le cinéma d animation. Il existe sur internet de multiples bases de données de gestes, dont nous verrons un exemple de format dans ce mémoire. La santé est le premier domaine où la captation de mouvement a été utilisée afin d étudier les mouvements du corps humain. Le principal domaine d utilisation est la biomécanique à travers notamment l orthopédie, la traumatologie et la rééducation. La société RM ingénierie, par exemple, commercialise une solution de rééducation fonctionnelle à partir des capteurs fournis par Movea : ce sont les capteurs utilisés dans le cadre de la thèse. Depuis quelques temps, les sportifs se sont emparés de la technologie afin d avoir de nouveaux moyens d évaluer leur technique individuelle, de fonctionnaliser leur préparation et leur entrainement. Cet objectif bénéficie des avancées technologiques réalisées dans le domaine de la santé, et nécessite l application de méthodes semblables mais pour des personnes saines en recherche de performance. On peut par exemple citer les travaux de [BRODIE 09]. Le second domaine d utilisation est le cinéma et l animation plus généralement. Dans ce cas, le but est de rendre plus réaliste les mouvements des personnages virtuels en leur assignant de vrais mouvements, d abord joués par des acteurs puis transposés sur des CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 23/230

24 Introduction avatars numériques. Les jeux-vidéos se sont initialement intéressés à la captation de mouvement avec le même objectif que le cinéma, c'est-à-dire comme outil de conception de gestes réalistes. Mais depuis l automne 2006 et l arrivée de la Wii TM de Nintendo TM, son utilisation s est étendue et la captation de mouvement est devenue une nouvelle interface utilisateur au même titre que la manette, le clavier ou la souris. On peut noter qu en termes d interface utilisateur, les jeux-vidéos avaient été précédés par les pointeurs 3D, c'est-à-dire permettant de diriger la souris en pointant «à main levée» avec celle-ci. Contrairement aux applications de captation de mouvement pour le cinéma ou de captation de trajectoires pour les scénarios de jeu vidéo l utilisation du mouvement humain est devenue temps réel, forçant une certaine optimisation des algorithmes de reconstruction de mouvement d un squelette et favorisant les faibles volumes de données capteurs. On voit depuis l arrivée de la console Kinect TM de Microsoft TM, l intérêt de ne plus limiter la captation au mouvement de la seule main, mais plutôt d élargir les possibilités d interaction homme machine à la captation des mouvements de tout le corps. Enfin la captation de mouvement reste encore essentiellement un thème de recherche très riche dans lequel de nombreux sujets sont abordés. Il est utilisé comme un outil dans nombreux de domaine où le mouvement est étudié pas nécessairement comme une fin en soi mais comme une information globale permettant d étudier les caractéristiques de celui qui le fait : on peut citer en exemple les nombreux travaux sur le bio-logging [FOURATI 10]. L objectif de cette thèse est l étude et la réalisation d un système de captation de mouvement dynamique corps entier, très peu onéreux, composé de capteurs MEMS, soit des accéléromètres, des magnétomètres et des gyromètres. Elle s inscrit dans la thématique captation de mouvement du CEA Grenoble (par exemple [BONNET 07]), qui s est concrétisée en 2007 par la création d une start-up : Movea. Dans cette thématique, le CEA s est intéressé dès 2004 à la captation du corps humain (ou d une partie du corps) à travers notamment les brevets [CARITU 06], [JAMMES 07] et les études [JAMMES 06], [HELIOT 05], en collaboration avec l INRIA pour les trois derniers exemples. De par CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 24/230

25 Introduction l histoire du laboratoire (expertise en magnétisme) et de par le coût et la consommation des composants, il a d abord été fait le choix de limiter au maximum l utilisation des gyromètres. Nous verrons cependant que pour obtenir une solution minimale suffisante nous nous serons amenés à utiliser un certain nombre de gyromètres, mais sur un nombre restreint de parties du corps. Un sujet central de cette thèse est l exploitation des mesures des accéléromètres : nous verrons dans la partie qui leur est consacrée que ces capteurs sont délicats à utiliser dans le cadre d une captation dynamique (ou plutôt cinématique du point de vue mécanique) car ils fournissent une mesure représentative de la différence entre l accélération de gravité (et donc l information d orientation par rapport à la verticale) et l accélération due au mouvement, encore appelée accélération propre. Le principal défi de cette thèse est de séparer ces deux informations pour estimer le mouvement du corps lors de gestes dynamiques, en particulier pour des applications médicales et d interface utilisateur bas coût. Ce mémoire s articule en six chapitres. Les éléments plus mathématiques (représentation d état, optimisation, filtre de Kalman) sont donnés en annexe. Le premier chapitre est consacré à l état de l art sur la captation de mouvement et principalement sur la captation de mouvement corps entier. Nous présentons un aperçu des systèmes nécessitant une référence fixe, comme les divers systèmes optiques qui servent aujourd hui d appareils de référence. Nous nous arrêtons plus longuement sur le système que nous avons l occasion d utiliser (Vicon TM ). Cet état de l art concerne aussi les algorithmes dédiés à la reconstruction de mouvements statiques et dynamiques connus dans la littérature. Le second chapitre traite des capteurs utilisés en captation de mouvement inertielle et magnétique, à savoir les accéléromètres, les magnétomètres et les gyromètres. Il est aussi question de leur association sous forme de centrale d attitude. Enfin nous voyons aussi quelles sont les différentes étapes nécessaires à leur utilisation pratique. Le troisième chapitre traite de la modélisation du corps humain sous forme de chaîne articulée. Il répond à la question «comment modélisons-nous mathématiquement le corps humain?». Nous présentons en particulier deux formulations différentes du problème, et CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 25/230

26 Introduction décrivons le formalisme choisi pour la modélisation. De plus, deux hypothèses sont considérées pour le mouvement : avec ou sans point fixe. Le modèle direct, permettant de calculer les mesures des capteurs d une centrale inertielle grâce aux paramètres du mouvement, est présenté pour chaque modalité, ainsi que les différents bruits associés. Le quatrième chapitre propose une validation expérimentale du modèle décrit dans le troisième chapitre. Nous décrivons une expérience mené au à l institut P de Poitiers à l aide d une MotionPod TM et d un système Vicon TM qui a permis de valider le modèle pour un pendule simple. Nous exposons aussi une validation multi-segment grâce à l outil Simulink TM. Le cinquième chapitre revient sur les méthodes mises en œuvre afin d estimer les postures du corps humain. Nous proposons une approche basée sur l utilisation de filtres de Kalman en détaillant spécifiquement les fonctions d évolution et de mesure, la prise en compte de la dynamique du mouvement, ainsi que les différents réglages à mettre en œuvre. Nous montrons qu un simple filtre de Kalman n est en l état pas suffisant et nous proposons une solution que nous avons appelée Résolution hybride Kalman. Enfin le dernier chapitre présente les expérimentations significatives menées dans le cadre de la thèse pour valider notre outil de résolution. Nous discutons de la pertinence d ajouter ou non des gyromètres et où les placer le cas échéant. Nous présentons aussi dans ce chapitre le démonstrateur réalisé et proposons une solution à l un des problèmes pratiques lors de séance d acquisition : la calibration géométrique du sujet. CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 26/230

27 Chapitre 1 : Etat de l art Chapitre 1 Etat de l art Dans ce chapitre, nous procédons à un état de l art de la captation de mouvement et plus spécifiquement à la captation des mouvements du corps humain. C est en effet un vaste domaine, qui donne lieu à de nombreuses publications. Dans une première partie, les systèmes les plus classiques (différents de la captation inertielle et magnétique) sont évoqués, leur dénominateur commun étant la présence d une référence fixe. Dans la seconde, nous traiterons de la captation de mouvement embarquée. Cette dernière a pour principal avantage de ne pas limiter le champ de captation. Les deux types de tels systèmes sont les exosquelettes et la captation inertielle et magnétique. Enfin dans la dernière partie, nous ferons une revue des algorithmes classiques utilisés dans le domaine de la captation inertielle et magnétique. CONFIDENTIEL - NE PAS DIFFUSER 27/230