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Université du Québec à Chicoutimi

MODULE D’ INGÉNIERIE GÉNIE ÉLECTRIQUE

6GIN555 PROJET DE SYNTHÈSE EN INGÉNIERIE

Rapport final

# Projet : 2011-234

Conception et évaluation d'un élément de mesure de hauteur de saut vertical

Préparé par

Nicolas Guérin

Pour

Hung-Tien Bui, ing. PhD. UQAC

20 mai 2011

CONSEILLER : Hung-Tien Bui, ing. PhD. COORDONNATEUR : Jacques Paradis, ing.

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Approbation du rapport final pour diffusion Nom du conseiller Hung-Tien Bui, ing. PhD. Date Signature

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Table des matières Table des matières ....................................................................................................................... 3

Table des équations ..................................................................................................................... 5

Table des figures ......................................................................................................................... 5

Table des tableaux ....................................................................................................................... 6

Résumé ....................................................................................................................................... 7

1 Introduction ......................................................................................................................... 8

1.1 Mise en contexte .......................................................................................................... 8

1.1.1 Sargent jump ........................................................................................................ 9

1.1.2 Tapis de Bosco ..................................................................................................... 9

1.2 Objectif ..................................................................................................................... 10

2 Travail réalisé .................................................................................................................... 11

2.1 Analyse ..................................................................................................................... 11

2.1.1 Analyse théorique .............................................................................................. 11

2.1.2 Détermination des modèles ................................................................................. 14

2.1.3 Choix des modèles ............................................................................................. 17

2.2 Recherche bibliographique ......................................................................................... 18

2.3 Prototypage................................................................................................................ 19

2.3.1 Prototype avec accéléromètre ............................................................................. 19

2.3.2 Prototype avec jauge .......................................................................................... 24

2.3.3 Prototype avec laser ........................................................................................... 28

3 Recommandation ............................................................................................................... 35

4 Conclusion ........................................................................................................................ 35

5 Annexe .............................................................................................................................. 36

5.1 Calcul du temps de déplacement avec Maple .............................................................. 36

5.2 Code source du prototype avec accéléromètre ............................................................ 38

5.2.1 Code triaxial....................................................................................................... 38

5.2.2 Code uniaxial ..................................................................................................... 41

5.3 Code source du prototype avec jauge ......................................................................... 43

5.4 Code source du prototype avec laser........................................................................... 44

5.5 Détails de captures ..................................................................................................... 48

5.5.1 Mouvements des genoux seuls:........................................................................... 48

5.5.2 1er saut standard ................................................................................................ 48

5.5.3 2ième saut standard ............................................................................................ 49

5.5.4 3ième saut standard ............................................................................................ 49

5.5.5 1er saut avec atterrissage genoux pliés ................................................................ 50

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5.5.6 2ième saut avec atterrissage genoux pliés ........................................................... 50

5.5.7 3ième saut avec atterrissage genoux pliés ........................................................... 51

5.5.8 4ième saut avec atterrissage genoux pliés ........................................................... 51

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Table des équations Équation 1: Postion verticale en fonction du temps à position initiale nulle ................................ 11 Équation 2: l'accélération fonction de la vitesse et du temps....................................................... 12 Équation 3: Vitesse initiale en fonction de l'accélération ............................................................ 12 Équation 6: Hauteur en fonction de l'accélération lors de la phase d'envol .................................. 12 Équation 7: Force en fonction de l'accélération .......................................................................... 12 Équation 8: Vitesse initiale en fonction de la force appliquée pendant la phase d'envol .............. 12 Équation 9: Hauteur maximale en fonction de la force appliqué pendant la phase d’envol .......... 13 Équation 10: Vitesse initiale en fonction du temps de vol .......................................................... 13 Équation 11: Hauteur maximale en fonction du temps de vol ..................................................... 13 Équation 10: Temps de monté en fonction de la vitesse initiale .................................................. 13 Équation 11: Hauteur maximale en fonction de la vitesse initiale ............................................... 13

Table des figures Figure 1: Quelques sports de puissance ........................................................................................ 8 Figure 2: Sargent jump ................................................................................................................ 9 Figure 3: Tapis de Bosco ............................................................................................................. 9 Figure 4: Système avec accéléromètre ....................................................................................... 14 Figure 5: Système avec banque de capteurs ............................................................................... 14 Figure 6: Système avec caméra .................................................................................................. 15 Figure 7: Système avec jauges de contrainte .............................................................................. 15 Figure 8: Système avec laser ..................................................................................................... 16 Figure 9: Système avec ultrasons ............................................................................................... 16 Figure 10: Système mécanique avec bouton poussoir ................................................................. 17 Figure 11: Prototype avec accéléromètre ................................................................................... 19 Figure 12: Plateforme Arduino Uno........................................................................................... 19 Figure 13: Schéma électrique de l'adaptation de niveau pour le lien SPI ..................................... 20 Figure 14: Diagramme de Flux .................................................................................................. 21 Figure 15: Capture d'un ensemble de mouvements ..................................................................... 22 Figure 16: Fonctionnement d'un accéléromètre typique.............................................................. 23 Figure 17: Prototype avec jauge ................................................................................................ 24 Figure 18: Agrandissement sur circuit d'amplification et jauge .................................................. 24 Figure 19: Circuit d'amplification .............................................................................................. 25 Figure 20: Diagramme de flux ................................................................................................... 26 Figure 21: Visualisation des valeur de l'entrée analogique ......................................................... 27 Figure 22: Diagramme idée d'un prototype avec laser à multiple réflexion ................................. 28 Figure 23: Alignement impossible, laser échoué sur le plancher ................................................. 29 Figure 24: Quelques configurations géométriques de couverture de surface ............................... 30 Figure 25: Diagramme de l’idée finale ....................................................................................... 30 Figure 26: Prototype avec laser.................................................................................................. 31 Figure 27: Agrandissement au niveau des paires source-capteur ................................................ 31 Figure 28: Capteur, photographie et schéma respectivement ...................................................... 32 Figure 29: Alimentation des lasers, photographie et schéma respectivement .............................. 32 Figure 30: Diagramme de flux ................................................................................................... 33 Figure 31: Système avec jauge aux quatres coins ....................................................................... 35

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Table des tableaux Tableau 1: Liste des mouvements .............................................................................................. 22 Tableau 2: Comparaison Laser-Bosco ....................................................................................... 34 Tableau 3: Coût de construction ................................................................................................ 34

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Résumé Il existe plusieurs critères pour évaluer la capacité physique d’un athlète. Un des critères important est le saut vertical. Plusieurs tests sont disponibles pour effectuer une mesure de hauteur dont les plus communs sont le « Sargent Jump » et le tapis de Bosco, respectivement peu fiable et de coût d’acquisition élevé soit environ 1 500 $. L’objectif du projet est de concevoir et d’évaluer un système électronique de mesure fiable tout en limitant les coûts. Dans un premier temps, l’analyse théorique du mouvement de l’athlète a été effectuée afin de déterminer quelles seraient les approches de résolution les plus prometteuses. Trois modèles ont été retenus (mesures par accélération, mesures de force et mesures par temps de vol) à partir desquelles nous avons proposé quatre prototypes pour l’évaluation des athlètes. Notre première approche a été celle d’accélération, en utilisant un accéléromètre, qui a permis de construire un premier prototype. L’utilisation de la mesure d’accélération n’a pas permis d’obtenir des résultats satisfaisants. Le saut exige une coordination de tout le corps humain. Les mouvements produisent une grande variabilité de l’accélération mesurée rendant cette approche difficilement applicable. Cependant, il est possible de faire une mesure de hauteur par l’approche de temps de vol en utilisant l’accéléromètre. L’approche par mesure de force en utilisant une jauge de contrainte a permis de construire un second prototype. La position projetée du centre de gravité est continuellement en mouvement et l’asymétrie d’application des forces rendent très difficile la prise de données. Ceci rend cette approche peu applicable. Cependant, il est possible de faire une mesure de hauteur par l’approche de temps de vol en utilisant la jauge de contrainte. Notre dernière approche, est la mesure de temps de vol, en utilisant un laser, qui a permis de construire deux prototypes. Le troisième prototype n’a pas donné les résultats escomptés i.e. mesure indéterminée de la hauteur. Le quatrième prototype nous a permis de mesurer une hauteur comparable, à 2% près des résultats obtenus, avec le tapis de Bosco. En conclusion, parmi les quatre prototypes que nous avons développés, il semble que l’usage de mesure par temps de vol soit l’une des plus fiables et des moins coûteuses soit moins de 100 $. Notre prototype peut être utilisé dès maintenant pour l’évaluation des sauts afin d’obtenir des résultats aussi fiables à un coût significativement plus faible que le tapis de Bosco.

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1 Introduction

1.1 Mise en contexte En médecine sportive, il existe plusieurs critères pour évaluer la capacité physique d’un athlète. Pour les sports de puissance (Figure 1), tel le basketball, le football, le hockey et pour cetaines disciplines olympiques comme le saut en hauteur et le saut en longeur, la puissance des membres inférieurs est importante. Un des critères important pour déterminer la puissance des jambes est le saut vertical. Plusieurs tests sont disponibles pour effectuer une mesure de hauteur de saut. Les plus communéments utilisés sont le « Sargent Jump » (Section 1.1.1) et le tapis de Bosco (Section 1.1.2).

Figure 1: Quelques sports de puissance

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1.1.1 Sargent jump Le « Sargent jump » est une évaluation de hauteur où l’althète doit sauter et toucher une échelle graduée (Figure 2). Ce test est particulièrement peu coûteux : un peu de craie, un ruban à mesurer et une cible en papier coloré. Cependant, ils demandent beaucoup d’attention de la part de l’évaluateur afin que le saut soit fait selon les règles et pour que la mesure soit valide, ce qui fait que ce test le moins fiable.

Figure 2: Sargent jump

1.1.2 Tapis de Bosco Le tapis de Bosco est un équipement qui peut être utilisé afin d’évaluer quelques critères de condition physique relié au saut, notamment la hauteur de saut. La planche tactile déroulée sur le sol est présentée à la Figure 3. L’appareil s’occupe de la mesure, tandis que l’évaluateur se concentre sur l’obtention d’un saut valide, ce qui rend cet appareil l’un des plus fiables sur le marché. Cependant son coût d’acquisition est de plus de 1 500 $.

Figure 3: Tapis de Bosco

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1.2 Objectif Ce ne sont pas tous les organismes de sport de puissance qui possèdent le budget pour se procurer un tapis de Bosco. Maintes organisations se fient aux résultats d’un test de Sargent mais pourraient bénéficier de résultats plus fiables. C’est la raison pour laquelle l’objectif de ce projet est de concevoir et d’évaluer un élément de mesure de hauteur de saut vertical qui serait aussi fiable que le tapis de Bosco, mais à un coût plus abordable.

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2 Travail réalisé Afin de résoudre la problématique et d’atteindre les objectifs du projet, une analyse approfondie a été effecutée (Section 2.1), des recherches bibliographiques ont été faites (Section 2.2) et des prototypes ont été conçus (Section 2.3).

2.1 Analyse Une analyse théorique des approches de résolutions a été fait (Section 2.1.1). Par la suite, des modèles de prototypes sont décrits afin de regarder les possibilités de constructions (Section 2.1.2). Puis les modèles les plus prometteurs seront sélectionnés (Section 2.1.3).

2.1.1 Analyse théorique Le mouvement vertical d’un corps a été analysé et cinq variantes de mesures de hauteur ont été identifiées, par : mesures d’accélération (Section 2.1.1.1), mesures de force (Section 2.1.1.2), mesures de temps de vol (Section 2.1.1.3), mesures de vitesse (Section 2.1.1.4), et mesures directes (Section 2.1.1.5). Le mouvement d’un athlète effectuant un saut peut être évalué en trois phases : la phase d’envol, la phase de vol et la phase d’atterrissage. La phase d’envol est celle où il y a une poussée musculaire lui permettant d’atteindre une vitesse verticale non nulle ( 0). Lors de la phase de vol, l’ahtlète ne touche plus au sol et son mouvement général est dominé par l’accélération gravitationnelle (g). La phase d’atterrissage est celle où il y a retour du contact avec le sol et où il y a une poussée musculaire pour reprendre une vitesse verticale nulle. En ne considérant que les composants verticaux du mouvement, la position de l’athlète lors de la phase de vol peut être approximée par l’Équation 1.

2

est la vitesse initiale est le temps est l’accélération gravitationnelle est la position verticale

Équation 1: Postion verticale en fonction du temps à position initiale nulle

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2.1.1.1 Mesures d’accélération L’évaluation de la hauteur d’un mouvement de saut, tel que décrit à la Section 2.1.1, peut se faire par mesure d’accélération. Mathématiquement, l’accélération est la dérivée de la vitesse (Équation 2).

est l’accélération instantané est la différentielle de temps est la différentielle de vitesse

Équation 2: l'accélération fonction de la vitesse et du temps

En intégrant l’accélération (Équation 2) pendant la phase d’envol, il est possible de caractériser la vitesse de départ (Équation 3).

est la vitesse initiale est l’accélération instantané lors de la phase d’envol est la différentielle de temps

Équation 3: Vitesse initiale en fonction de l'accélération

La hauteur en fonction de l’accélération lors de la phase d’envol (Équation 4) est obtenue par une substitution de la vitesse initiale (Équation 3) dans Équation 11.

max 2

est l’accélération instantané lors de la phase d’envol est la différentielle de temps est l’accélération gravitationnelle max est la hauteur maximale

Équation 4: Hauteur en fonction de l'accélération lors de la phase d'envol

Il est à noter que le signe négatif de la postion maximale est annulé par le signe inhérent à la direction de la graviation (g).

2.1.1.2 Mesures de force La hauteur d’un saut peut être déterminé par une mesure de force, puisque l’athlète doit fournir un effort pour vaincre l’attraction terrestre. Généralement, l’application d’une force génère une accélération proportionnelle à la masse de l’objet poussé (Équation 5).

est l’accélération est la force appliqué est la masse de l’objet recevant la poussé de la force

Équation 5: Force en fonction de l'accélération

Ainsi, l’objet est accéléré. En remplaçant l’accélération (Équation 2) dans l’Équation 5 et en manipulant algébriquement, on obtient la vitesse en fonction de la force appliquée (Équation 6).

est la force appliqué pendant la phase d’envol est la différentielle de temps est la masse de l’athlète est la vitesse initiale

Équation 6: Vitesse initiale en fonction de la force appliquée pendant la phase d'envol

Alors, la hauteur maximale, en fonction de la force appliquée, pendant la phase d’envol (Équation 7) est obtenue par remplacement de la vitesse initiale (Équation 6) dans l’Équation 11.

max

2

est la force appliqué pendant la phase d’envol est la différentielle de temps est la masse de l’athlète est l’accélération gravitationnelle max est la hauteur maximale

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Équation 7: Hauteur maximale en fonction de la force appliqué pendant la phase d’envol

2.1.1.3 Mesures de temps de vol Pour évaluer la hauteur par mesures de temps de vol, il s’agit de chronométrer le temps où l’athlète n’est plus en contact avec le sol. Puisque l’athlète atterrira en un point ayant le même dénivellé ( 0) et considérant qu’il est dans un référentiel soumis uniquement à l’accélération gravitationnelle, il serait possible d’approximer que le mouvement prend autant de temps en montée qu’en descente. Ainsi, le temps de vol ( ) constitue la moitié du temps pris

par la montée ou la descente. Autrement dit, la hauteur maximale (max ) est atteinte à !"#$

. En

dérivant l’Équation 1, %%! , il est possible de déterminer la vitesse initiale

du mouvement.

2

est la vitesse initiale est l’accélération gravitationnelle est le temps de vol

Équation 8: Vitesse initiale en fonction du temps de vol

Alors, il est possible de trouver la hauteur maximale en fonction du temps de vol par remplacement de la vitesse initiale (Équation 8) dans Équation 11.

max 8

max est la hauteur maximale est l’accélération gravitationnelle est le temps de vol

Équation 9: Hauteur maximale en fonction du temps de vol

2.1.1.4 Mesures de vitesse Une mesure de vitesse verticale peut être utilisée pour estimer une hauteur de saut. La mesure de la vitesse initiale peut servir à trouver le temps de montée (Équation 10) puisque la dérivé de

l’Équation 1 vaut %%! et que la vitesse à la hauteur maximale est nulle

('() *+=0).

'() *+

est la vitesse initiale '() *+ est le temps de monté

est l’accélération gravitationnelle Équation 10: Temps de monté en fonction de la vitesse initiale

En utilisant ce temps (Équation 10) avec l’Équation 1, il serait alors possible d’estimer la hauteur maximale en fonction de la vitesse initiale (Équation 11).

max 2

est la vitesse initiale max est la hauteur maximale est l’accélération gravitationnelle

Équation 11: Hauteur maximale en fonction de la vitesse initiale

Il est également possible de calculer la vitesse initiale à partir d’autre mesure, c’est pourquoi l’Équation 11 est réutilisé par trois des quatres autres variantes de mesures possible.

2.1.1.5 Mesures directes Les mesures directes ne néscessitent généralement pas d’équation spécifique, puisque la mesure relève une position verticale.

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2.1.2 Détermination des modèles L’analyse des modèles consiste à regarder les possibilités de réalisation du projet. Chacune des possibilité sera décrite.

2.1.2.1 Système avec accéléromètre Le premier modèles de prototype est le système avec accéléromètre (Figure 4). En utilisant l’accélération, des calculs, basés sur ceux de la Section 2.1.1.1, permettraient de déterminer la hauteur maximale.

Figure 4: Système avec accéléromètre

La sortie de l’accéléromètre serait récupérée via un lien SPI par le microcontrôleur (MCU). Les valeur d’accélération seraient transmises via « universasl serial bus » (USB) à un ordinateur pour analyse et traitement. Les échantillons correspondant au début du mouvement pourraient être utilisés afin de déterminer la vitesse initiale. Puisque l’accélération gravitationnelle serait à toute fin pratique fixe dans le référentiel du mouvement de l’athlète, il serait possible d’évaluer le moment de vitesse nulle. En estimant la position au moment de la vitesse nulle, la hauteur maximale de saut serait ainsi déterminée. Ce système fonctionnerait ainsi par mesures d’accélération. Il serait également possible de faire fonctionner ce système par mesures de temps de vol.

2.1.2.2 Système avec banque de capteurs Un deuxième modèle de prototype est le système avec banques de capteur (Figure 5). Dans cet idée de système, une banque de capteurs peinturée par un laser serait utilisée pour déterminer la hauteur maximale du saut.

Figure 5: Système avec banque de capteurs

Un faisceau laser distribué à l’aide d’un miroir pivotant autour d’un axe, illuminerait une banque de capteurs. Lorsque l’athlète se trouve devant la banque en une position déterminée, les capteurs ne seraient plus illuminés. Lors du saut, les capteurs seraient illuminés au fur et à mesure que l’athlète progresse en hauteur. Le microcontrôleur déterminerait le capteur le plus haut sur l’échelle ayant été illuminé, puis calculerait, par trigonométrie, la hauteur de saut. Ce système fonctionnerait par mesures directes.

Banquede

capteurs

Laserpivotant

pied

Derniercapteurpeinturé

MCU

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2.1.2.3 Système avec caméra Une autre idée de prototype est le système avec caméra (Figure 6). Une caméra haute vitesse serait utilisée pour déterminer la position du sujet lors de la cessation de sa progression verticale.

Figure 6: Système avec caméra

Une règle, positionnée sur un mur derrière le sujet, montrerait la hauteur à partir du sol. Une caméra haute vitesse surveillerait la règle. Un logiciel de traitement d’images déterminerait l’image sur laquelle la progression verticale du sujet a cessée. L’échelle visible serait utilisée pour déterminer la hauteur du saut par trigonométrie. Ce système fonctionnerait par mesures directes. Si nous désirerions une précision de l’ordre du milimètre pres dans la région de la hauteur maximale, il nous faudrait pouvoir y discerner un déplacement d’un milimètre (∆ 0,001). L’analyse mathématique, présenté en annexe à la Section 5.1, révèle que ce déplacement prend un peu plus de 14,28 ms pour s’effectuer. Afin d’échantillonner suffisamment, il faut au minimum prendre 2 images pendant que ce mouvement s’effectue. Ainsi, la caméra devra capturer un minimun de 141 images par secondes.

2.1.2.4 Système avec jauges de contrainte Une quatrième idée de prototype est le système à jauges de contrainte. Pour ce type de système, un assemblage de jauges de contrainte, posé sous une plaque, serait utilisé pour évaluer la force de poussée (Figure 7).

Figure 7: Système avec jauges de contrainte

Un assemblage de jauges serait installé sous une plaque d’acier. La capture des déformations, lors du saut, par un convertisseur analogique à numérique (ADC) du microcontrôleur et leur transmissiont subséquente à l’ordinateur, via USB, pour analyse et traitement, permettrait de déterminer la hauteur par mesures de force. Des marqueurs de position sur la plaque d’acier seront nécessaire afin d’approximer la distance entre la projection du centre de masse de l’athlète et le point de mesure de la jauge. La connaissance de cette distance est requise pour corréler la force appliquée et la force mesurée. Il serait également possible de faire fonctionner ce système par mesure de temps de vol.

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2.1.2.5 Système avec laser Une autres possibilités de système, serait le sytèsme avec laser. Pour ce type de système, un laser serait utilisé pour déterminer le temps de vol (Figure 8).

Figure 8: Système avec laser

Un laser, installé à une hauteur donnée, serait bloqué par l’athlète. Lorsque ce dernier effectuerait un saut, le capteur détecterait le laser. Le temps de détection du laser serait utilisé, par le microcontrôleur, pour déterminer le temps de vol du sujet. Ce système fonctionnerait par mesures de temps de vol.

2.1.2.6 Système avec ultrasons L’avant dernière idée de prototype est le système à ultrasons. Pour ce type de prototype, des ultrasons seraient utilisés pour déterminer la vitesse et la position du sujet (Figure 9).

Figure 9: Système avec ultrasons

Un émetteur (Tx) d’ultrasons à fréquence fixe et puissance variable, controlé par un convertisseur numérique à analogique (DAC) du microcontrôleur, serait utilisé pour envoyer une série d’impulsions vers le sujet. Les impulsions retourné au récepteur (Rx) seraient numérisées par un ADC du microcontrôleur. L’amplitude et la fréquence du signal numérisées seraient analysées par le microcontrôleur afin d’estimer la position et la vitesse du sujet respectivement. Ce système pourrait fonctionner par mesures de vitesse et par mesures directe.

pied

Laser capteurMCU

Timer

pied

MCU

ADCDAC

Tx Rx

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2.1.2.7 Système mécanique avec bouton poussoir La dernière possiblité de système est le système mécanique à bouton poussoir. Dans cet idée de prototype, un plateau poussé par au moins un ressort serait utilisé pour déclencher un bouton poussoir afin de déterminer le temps de vol (Figure 10).

Figure 10: Système mécanique avec bouton poussoir

Le bouton poussoir serait fermé aussi longtemps que le poid du sujet serait suffisante pour contrer la poussé du ressort. Le temps de relâchement du bouton poussoir serait utilisé par le microcontrôleur pour déterminer le temps de vol.

2.1.3 Choix des modèles Pour effectuer un choix de modèles judicieux, il s’agit de se remémorer les contraintes de conceptions du projet. L’ensemble du projet ne peut avoir un déboursé de plus de 250 $. Nous cherchons un sytème électronique fiable et dont le coût serait le plus faible possible. Tout d’abord, les solutions trop dispendieuses sont donc a être éliminées. Ainsi le système avec caméra, en plus de sa complexité d’automatisation, serait éliminé car l’achat d’une caméra haute vitesse serait nécessaire, et ces dernières valent généralement plus de 250 $. Ensuite, les modèles qui auraient des causes d’erreur intrinsèque devraient être éliminés. Ainsi le système avec ultrason et le système à banque de capteur seraient retirés car la position aérienne des pieds affecterait leur précision. De plus le système à banque de capteur, avec son laser pivotant, pourrait causer un problème de santé et sécurité. Le système mécanique à bouton poussoir et le système avec laser fonctionnent tous deux par mesure de temps de vol. Il serait avantageux de sélectionner une seule de ces deux approches afin d’examiner diverses méthodes de résolution. Le système avec laser ne possède aucune pièce mobile, ce fait devrait le rendre plus durable tout en nécessitant moins d’entretien, ce qui serait un avantage à long terme. Le système avec accéléromètre et le système avec jauge sembles d’interfaçage assez simple sans, a priori, révéler des erreurs intrinsèques. Donc, trois modèles s’offrent à nous : le système avec accéléromètre, le système avec jauge et le système avec laser. Ils feronts l’objet de prototypage comme montré à la Section 2.3.

pied

MCU

Timerressort

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2.2 Recherche bibliographique La recherche bibliographique a permis de trouver la documentation pertinente à notre projet :

• Arduino Shield Manual. Version 1.4, Manual. DFRobot, 2010, 19 pages. • ATmega48A/48PA/88A/88PA/168A/168PA/328/328P : 8-Bit AVR Microcontroller with

4/8/16/32K Bytes in-system programmable flash. Rev. 8271C, Datasheet. ATmel, 2010, 566 pages.

• BMA180 : Digital, triaxial acceleration sensor. BST-BMA180-DS000-03, Datasheet. Bosh Sensortec, 2009, 69 pages.

• BPW46 : Silicon PIN Photodiode, RoHS Compliant. 81524, Datasheet. Vishay Semiconductors, 2008, 5 pages.

• BS107, BS107A : Small Signal MOSFET 250 mAmps, 200 Volts, N- Channel TO-92. BS107/D, Datasheet. ON Semiconductior, 2004, 7 pages.

• LM117/LM317A/LM317 : 3-terminal adjustable regulator. 9063, Datasheet. National Semiconductor Corporation, 2011, 28 pages.

• OPA241/2241/4241 OPA251/2251/4251 : Single-Supply, microPower Operational Amplifiers. PDS-1406B, SBOS075, Datasheet. Burr-Brown Corporation, 1997, 21 pages.

Également, la recherche a permis de trouver une ressource en ligne expliquant les principales fonctions en C/C++ des libraries fournies avec l’Arduino :

• Arduino Reference : Language, Libraries, Comparison, Changes. http://arduino.cc/en/Reference/HomePage, Site Internet. Arduino, dernière visite 10 mai 2011.

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2.3 Prototypage

2.3.1 Prototype avec accéléromètre Le prototype avec accéléromètre est basé sur l’idée présenté à la Section 2.1.2.1. La Figure 11 présente le prototype avec accéléromètre une fois construit.

Figure 11: Prototype avec accéléromètre

Ce prototype utilise le microcontrôleur 8-bit ATmega328P qui est installé sur la plateforme Arduino (Figure 12). La plateforme Arduino a été sélectionnée car elle permettait un interfaçage rapide, convivial, ainsi que la possibilité de réutiliser la plateforme d’un prototype à l’autre. Une multitude de modules d’extension et de libraries sont compatibles avec cette plateforme.

Figure 12: Plateforme Arduino Uno

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2.3.1.1 Accéléromètre L’accéléromètre BMA180 a été sélectionné car il permettait de faire usage de plusieurs gammes d’accélération (1, 1½, 2, 4, 8, et 16 g), d’analyse sur trois axes, d’avoir une interfaçage SPI et il a 14 bits de résolution. Il convient aux besoins de ce projet. Il est également réutilisable pour des travaux futurs. Il fonctionne sur un niveau logique 0-3,3V. Afin de faire fonctionner l’interface SPI avec l’Arduino, qui fonctionne sur un niveau logique 0-5V, il a été nécessaire de concevoir une adaptation de niveau ou « level shifter » en anglais (Figure 13).

Figure 13: Schéma électrique de l'adaptation de niveau pour le lien SPI

Les liens vers le BMA180 sont constitués d’une résistance 1kΩ afin de limiter le courant sur la ligne. Une vérification de la présence de diode de limite inférieure et supérieure fut faite. Ceci afin de valider l’hypothèse de la présence de diode que sous-entend l’usage de résistance comme adaptation d’un niveau logique supérieur vers un niveau logique inférieur. Les liens sont dénotés « chip select » (CS), « master out slave in » (MOSI) et « SPI Clock » (SCK) sur la Figure 13. Le lien vers l’Arduino est constitué d’un double inverseur à « metal–oxide–semiconductor field-effect transistor » (MOSFET). L’isolation électrique est instaurée par la grille du premier MOSFET, le second MOSFET servant à rétablir le sens de la logique. Ce lien est dénoté « master in slave out » (MISO) sur la Figure 13.

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2.3.1.2 Programme Le programme de ce prototype a été écrit en C++. Il est constinué d’une séquence d’initialisation. L’accéléromètre est par la suite configuré puis vérifé. Lorsque la vérification est positive le programme procède dans une boucle infini de capture et transmission. Lorsque la vérification est négative , il y a reprise de la configuration. Les informations sont transmises via un lien série vers un ordinateur pour analyse et traitement. Le diagramme de flux décrivant ce programme est présenté à la Figure 14. Il existe deux versions du code source, l’une traite l’information des 3 axes, l’autre traite l’information de l’axe qui est verticale lors du saut. La version à simple axe a été choisie en fonction d’augmenter la vitesse de capture et transmission. Ces codes sources sont disponibles en annexe à la Section 5.2.

Figure 14: Diagramme de Flux

Lors de l’élaboration du code, une information trompeuse a été identifiée dans la fiche technique du BMA180 à la page 58. Il s’agit de la phase SPI qui devrait être identifiée comme étant égale à un (1) plutôt qu’à zéro (0). Ceci change le mode SPI pour un mode trois (3). Un courriel, en date du 2 mai 2011, a été envoyé au manufacturier pour signaler cette anomalie.

( )2

2

a t

g

⋅∆∑

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2.3.1.3 Capture Pour effectuer la capture, le prototype 3 a été maintenu à la hanche droite du sujet par sa main droite. Le sujet devait effectuer une flexion des genoux, suivi de trois sauts standards puis de 4 sauts à atterrissage en genoux fléchis. Un saut standard est un saut où le sujet fléchit les genoux puis saute pour atterrir avec les genoux tendus. Un saut à atterrissage en genoux fléchis est un saut où le sujet fléchit les genoux puis saute pour atterrir en position demi-accroupie. La Figure 15 présente une capture de mouvements.

Figure 15: Capture d'un ensemble de mouvements

Les points sur la courbe de capture représentent des mouvements et des sauts effectués, la liste en est présenté au Tableau 1. Les figures de chacuns sont présentées individuellement en annexe à la Section 5.5.

Tableau 1: Liste des mouvements

Mouvement Description # 0 Flexions des genoux 1 Saut standard 2 Saut standard 3 Saut standard 4 Saut avec atterrissage genoux pliés 5 Saut avec atterrissage genoux pliés (genoux demi-pliés) 6 Saut avec atterrissage genoux pliés (déséquilibre à la fin) 7 Saut avec atterrissage genoux pliés

Il est à noter que les mouvements 5 et 6 comportent des anomalies à l’atterrissage. Pour le mouvement #5, l’atterrissage a été en genoux demi-pliés; pour le mouvement #6, il y a eu un déséquilibre après l’atterrissage.

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2.3.1.4 Analyse La Figure 16 montre le schéma de la structure interne d’un accéléromètre typique.

1 Cristal piézo-électrique 2 Masse séismique 3 Amplificateur sensible aux charges 4 Signal connexion 5 Boîtier de l’accéléromètre

Figure 16: Fonctionnement d'un accéléromètre typique1

L’accéléromètre fonctionne par différentiel d’inertie. C'est-à-dire qu’une masse séismique (grande inertie) est attachée au boitier de l’accéléromètre (petite inertie) via un matériel piézo-électrique. Les matériaux piézo-électrique ont la propriété de générer des charges électriques lorsque soumis à une force ou de produire une vibration (force) lorsque soumis à un courant électrique. Ainsi, lorsqu’il y a accélération de l’ensemble, le boitier accélérera plus rapidement que la masse et le cristal piézo-électrique s’en trouvera soumis à une force de compression ou de tension et générera des charges. Ces charges seront amplifiées pour former un signal. Cette technique de mesure est fonctionnelle tant et aussi longtemps qu’il existe un déséquilibre qui cause une force dans le matériau piézo-électrique. Lorsqu’une telle construction est soumise à un mouvement de chute libre, peu de charges seront détectées puisque les deux masses peuvent reprendre leur position d’équilibre. Ainsi, l’accéléromètre indiquera une accélération nulle même si le sytème est toujours dans des conditions d’accélération gravitationnelle. Ceci explique les valeurs autour du niveau zéro dans la Figure 15. Le corps humain est une masse dont le centre de gravité est dynamique. Chaque fois qu’un membre bouge, le centre de gravité s’ajuste. Lors d’un mouvement complexe comme le saut, une grande coordination de tous les membres est requise. Ainsi, le centre de gravité bougera en suivant tous ces mouvements. L’accéléromètre captera l’accélération causée par les mouvements et les résultats de hauteur calculés s’en trouverons faussés. Les quelques calculs, effectués sur des essais de nature qualitative (des sauts n’ayant pas une hauteur mesurée), montrent des valeurs dépassant de 20 % à 30 % le record personnel (42 cm) de l’athlète, alors que ce dernier prétendait avoir fait un saut de l’ordre d’une trentaine de centimètres. Ces résultats expérimentaux ne sont pas présentés dans ce rapport, mais démontrent une forte déviation, souvent de plus de 60%, par rapport aux valeurs prédites. Une analyse brève des courbes de saut révèle qu’il est possible de calculer une hauteur de saut à partir de la différence de temps entre les deux pics. Cette approche n’a pas été exploré afin de respecter les délais temporels fixés à l’échéancier.

1 Image utilisé sans autorisation, tiré du site de National Instrument France : http://digital.ni.com/worldwide/france.nsf/web/all/FA78B94CF4DDED3486256967002D45BE

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2.3.2 Prototype avec jauge Le prototype avec jauge est basé sur l’idée developpée à la Section 2.1.2.4. La Figure 17 montre ce prototype une fois construit. La jauge et le circuit d’amplification sont montrés à la Figure 18.

Figure 17: Prototype avec jauge

Figure 18: Agrandissement sur circuit d'amplification et jauge

À l’instar du prototype avec accéléromètre, ce prototype utilise un Arduino (Figure 12) dont le système de calcul est le microcontrôleur 8-bit ATmega328P.

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2.3.2.1 Jauge Le montage de jauges de contrainte utilisé dans ce prototype a été installé en demi-pont de Wheatstone modifié. Le potentiomètre multitour (50k) à l’opposé de la jauge est monté en diviseur de tension et permet d’ajuster le décalage de la valeur d’équilibre de la jauge. L’amplificateur placé à la sortie du diviseur formé par la jauge a été modifié par l’ajout d’un suiveur afin de décaler la tension DC. Cette modification a été faite pour que la sortie de l’amplificateur corresponde seulement aux variations de la jauge. Ainsi le gain ne s’applique qu’aux variations de la jauge de contrainte lorsque le potentiomètre est correctement ajusté. Dans cette configuration le gain est d’environ 801. La Figure 19 présente ce montage.

Figure 19: Circuit d'amplification

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2.3.2.2 Programme Le programme est constitué d’une séquence d’initialisation, suivit d’une boucle infini de capture et transmission. Il a été écrit en C++. Les données reçues à l’ordinateur via un lien série sont analysées et traitées. Le diagramme de flux de ce programme est visible à la Figure 20. Le code source est disponible en annexe à la Section 5.4

Figure 20: Diagramme de flux

2

2

F t

m

g

⋅∆

∑

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2.3.2.3 Analyse Des tentatives d’étalonage, en faisant usage de masse étalon, ont été réalisées afin de faire correspondre l’entré analogique du microcontrôleur aux valeurs de force appliquée. Cet étalonage a révélé que la jauge ne fonctionnait pas dans sa plage linéaire. Un ajustement au système mécanique a permis de retrouver la plage linéaire. Cependant, cet ajustement a entrainé une divergence de l’ordre de 20% entre les valeurs calculées et les valeurs réelles. La Figure 21 présente les valeurs brutes de l’entré analogique pour un saut.

Figure 21: Visualisation des valeur de l'entrée analogique

Ce prototype est sensible à l’asymétrie de poussé : si les forces appliqués sur la planche ne sont pas symétrique, une variation significative des résultats est observable. L’étude de l’atterrissage est compromise par le fait qu’il ne se produit pas à un endroit déterminé et que les forces d’atterrissage ont la possibilité d’être asymétrique. C’est pourquoi les leçons apprise de ce prototype servent à l’élaboration de la recommandation (Section 3). Comme pour le prototype avec accéléromètre, une brève analyse des courbes révèle qu’il est possible de calculer une hauteur à partir de la différentiel de temps entre les deux pics. L’exploration de cette approche n’a pas été fait de manière à pouvoir suivre l’échéancier.

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2.3.3 Prototype avec laser L’idée du prototype avec laser est basée sur l’idée du système présenté à la Section 2.1.2.5. Après consultation de travaux antérieurs, le système à un seul laser ne permet pas toujours de détecter le premier contact avec le sol qui se fait souvent avec la pointe des pieds. Cela amena l’idée de couvrir plus de surface (Section 2.3.3.1).

2.3.3.1 Idée intermédiaire C’est pourquoi une idée intermédiare (Figure 22) consistait à utiliser un laser réfléchi entre deux miroirs pour couvrir une surface plus importante.

Figure 22: Diagramme idée d'un prototype avec laser à multiple réflexion

Cependant, la construction d’un tel prototype s’est avéré un échec (Section 2.3.3.1.1) et une nouvelle idée (Section 2.3.3.2) a été développée afin de pouvoir mesurer la hauteur de saut vertical.

2.3.3.1.1 Un échec Le prototype a été construit à partir de matériel recyclé (bloc de pin, contreplaqué et miroir) et de matériel neuf (arduino, module LCD du arduino, photodiodes, régulateur, source laser et vis). La planche de contreplaqué servant de support à la source laser, à la photodiode et aux miroirs avait une légère courbure. Cette courbure a été utilisée à notre avantage en la plaçant de sorte que lorsqu’une pression est appliquée, le faisseau dévie de sa trajectoire et n’arrive pas sur le capteur. Ainsi, lorsque l’athlète est sur la planche de contreplaqué, le faisceau n’atteint pas le capteur. La minuterie du temps de vol n’est fonctionnelle que lorsque le laser atteint le capteur. Donc cette courbure constitue un avantage puisque le faisceau sera coupé aussitôt que l’athlète est sur la planche. Sans la présence de cette courbure, l’athlète doit obligatoire couper le faisceau par obstruction. Pour assurer que la courbe fonctionne tel que prévu, une pression appliquée à la main afin de vérifier que le poid du corps entier affecterait la courbure. comme cette mesure qualitative étant suffisante, elle ne fut pas quantifiée. À elle seule, la modification de courbure ou l’obstruction causée par la présence de l’athlète aurait été plus que suffisante pour permetre la détection. Pris ensemble, ils n’interagissent pas négativement.

Source

Capteur

Miroir

MCU

Timer

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Il s’est avéré que l’usage de matériaux recyclés ne permettait pas l’alignement source-laser-capteur. Les miroirs eux-mêmes n’étaient pas très précis et possédaient des courbures différentes d’un point à l’autre du miroir. Les planchettes verticales quoiques plutôt droites, possédaient tout de même une courbure tridimentionnelle. De plus le fait d’insérer des vis dans le bois en modifiait la forme en fonction de la torsion appliquée. En combinant ces quelques effets, au fait qu’un miroir additionne la déviation, il n’a pas été possible d’effectuer l’alignement. Le laser finissait par s’échouer loin des capteurs, soit sur le plancher ou sur un mur. La Figure 23 présente l’idée intermédiaire lors de la tentative d’alignement des miroirs.

Figure 23: Alignement impossible, laser échoué sur le plancher

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2.3.3.2 Idée finale Cette nouvelle idée (Figure 25) est tirée de l’expérience de l’échec des multiples réflexions (Section 2.3.3.1). L’effet d’accumulation de déviation par le miroir n’agit que s’il y a multiple réflexion. Ainsi, une seule réflexion augmenterait la surface par rapport au simple faisceau sans surmultiplier les déviations. Et l’usage de deux sources et deux capteurs permettrait de doubler la surface couverte. Plusieurs configurations géométriques sont possibles (Figure 24).

a)

b)

c)

d)

Figure 24: Quelques configurations géométriques de couverture de surface

a) Méthode en double V b) Méthode en double V croisé

c) Méthode en double V opposé d) Methode en double V opposé et croisé

La configuation choisie (Figure 25), la méthode en double V, permet de réutiliser une partie du prototype construit à partir de l’idée intermédiaire (Section 2.3.3.1).

Figure 25: Diagramme de l’idée finale

Source

Miroir

Capteur

Source

Capteur

MCU

Timer

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2.3.3.3 Présentation du pototype Le prototype avec laser est basé sur l’idée finale comme présentée à Section 2.3.3.2. La Figure 26 montre le prototype avec laser une fois sa construction achevée. La Figure 27 montre les circuits de plus proche.

Figure 26: Prototype avec laser

Figure 27: Agrandissement au niveau des paires source-capteur

Comme le prototype avec accéléromètre et le prototype avec jauge, ce prototype utilise la plateforme Arduino (Figure 12). De plus, ce prototype utilise un un module « liquid crystal display » (LCD) pour Arduino afin d’afficher les messages et les informations destinées à l’utilisateur. La construction du prototype à laser fut un défi. L’alignement dura près de huits heures de travail. Chaque vis créait un renflement dans le contreplaqué de support. Les renflements furent parcimonieusement enlevés au ciseau.

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2.3.3.4 Capteur La Figure 28 présente, dans l’ordre, la photographie et le schéma d’un capteur.

Figure 28: Capteur, photographie et schéma respectivement

La photodiode (en polarisation inverse) permet le passage du courant lorsque les photons changent la concentration de paires d’électrons-trous dans la zone de déplétion. Ce courant développe une tension dans la résistance R1 ce qui polarise le transistor en saturation. On observe alors la tension de saturation VCESAT au collecteur. En absence de photons, la photodiode (en polarisation inverse), ne permet pas le passage d’un courant. Ainsi, aucune tension n’est développée dans la résistance R1 et le transistor ne conduit pas. On observe alors la tension d’alimentation au collecteur.

2.3.3.5 Alimentation La Figure 29 montre, dans l’ordre, la photographie et le schéma de l’alimentation des lasers.

Figure 29: Alimentation des lasers, photographie et schéma respectivement

L’alimentation 3,2V des lasers est basée autour du régulateur LM317. La résistance R2 a été calculée à partir de la formule Vout = 1,25V (1 + R2 / 240Ω ) + R2*100µA tel que décrit à la page 9 de la documentation technique du LM317.

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2.3.3.6 Programmation Le principe de fonctionnement (Figure 30) est inspiré par la séquence du test de saut vertical réalisé avec le tapis de Bosco. Le principe de la machine à états a été utilisé pour écrire le code en utilisant le language C++. Les actions effectuées par la machine à états sont déterminées par l’état dans lequel se trouve la machine. Les transitions d’états sont déterminées par les entrées de la machine. Ceci a permis d’écrire un code simplement et rapidement. Le code programmé dans l’Arduino est disponible en annexe à la Section 5.4.

Figure 30: Diagramme de flux

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2.3.3.7 Analyse Le prototype avec laser a été positionné sur le tapis de Bosco de manière à ne pas entraver le fonctionnement normal de ce dernier. Une série de onze sauts a été effectuée (Tableau 2) en prenant note des résultats de chacun des systèmes de mesure. La déviation des résultats du prototype à laser par rapport à ceux du tapis de Bosco est inférieure à 2%.

Tableau 2: Comparaison Laser-Bosco

Le Tableau 3 montre que le coût de construction du prototype à laser est inférieur à 100 $. Il est à noter que le prototype à laser tel qu’il est construit est un prototype pour preuve de concept. Il serait possible de réduire les coûts en éliminants la convivialité de la plateforme Arduino et en utilisant le prix de volume pour les matériaux de montage électrique et mécanique.

Tableau 3: Coût de construction

Avec sa précision qui est comparable au tapis de Bosco et son coût abordable, le prototype avec laser répond aux objectifs du projet.

Essai Temps Analyse

#ms %

Laser Bosco Δt Déviation

1 426 433 7 1,6

2 569 575 6 1,0

3 419 423 4 0,1

4 580 578 -2 0,4

5 584 590 6 1,0

6 567 568 1 0,2

7 593 597 4 0,7

8 598 593 -5 0,8

9 505 500 -5 1,0

10 530 532 2 0,4

11 586 582 -4 0,7

Unité DescriptionPrix Coût

$ / unité $

1 Arduino 30 30

1 Ensemble de miroir et matériel de montage < 30 < 30

2 Laser 5mW 5 10

1 Matériel électronique < 10 < 10

1 Module LCD pour Arduino 20 20

Total: < 100

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3 Recommandation Les prototypes fonctionnant par mesure de temps de vol sont sensibles aux mouvements aériens qui pourrait prolonger le temps de vol, par exemple un atterrissage en pliant les genoux versus un atterrissage standard fait en conservant les genoux droits. Il serait intéressant de déjouer cette manière de fausser les réultats. Suite aux leçons apprises lors de l’élaboration du prototype à jauge de contrainte (Section 2.3.2.3), il serait possible d’élaborer un algorithme de compensation d’une mesure de temps de vol en comparant les courbes de forces d’envol et d’atterrissage. C’est pour cette raison que nous recommandons, pour exploration future, un systèmes avec jauge aux quatres coins tel que présenté à la Figure 31. Les mesures de forces, prisent aux quatres coins, pourraient compenser l’incertitude de la position d’atterrissage ainsi que l’asymétrie des forces appliquées tout en assurant la stabilité du montage. Il faudrait cependant veiller à ce que la planche soit le plus horizontale possible. Ce système fonctionnerait par hybridation de l’approche par mesures de force et de l’approche par mesures de temps de vol.

Figure 31: Système avec jauge aux quatres coins

4 Conclusion Trois approches différentes ont été exploré pour déterminer la hauteur d’un saut vertical : l’approche de mesures par accélération, l’approche de mesures de force et l’approche de mesures par temps de vol. Ceci s’est fait en prototypant trois modèles qui avaient été recommandés. Le prototype avec accéléromètre n’a pas donné les résultats escomptés. Le prototype avec jauge n’a également pas donné de résultats satifaisants, mais fait l’objet d’une recommandation. Ces deux prototypes pourraient également être utilisés avec l’approche par temps de vol, mais ceux-ci couteraient plus que le prototype avec laser. Le prototype avec laser peut dès maintenant être utilisé pour l’évaluation des sauts. Il a permis d’obtenir une déviation inférieur à 2% par rapport aux résultats obtenu avec le tapis de Bosco et les coût de construction du prototype est au moins quinze fois plus faible que le prix d’achat d’un tapis de Bosco. Ainsi, les objectifs du projet sont atteints.

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5 Annexe

5.1 Calcul du temps de déplacement avec Maple

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5.2 Code source du prototype avec accéléromètre

5.2.1 Code triaxial #include <SPI.h> const int slaveSelectPin = 10; const byte write_command = 0x7F; const byte read_command = 0x80; const byte Chip_id = 0x00; const byte temperature = 0x08; const byte LSB_accel_x = 0x02; //MSB @ *LSB +1 ; lsb_y @ *x+2 ; lsb_z @ *x+4 const byte Shadow_dis = 0x33; const byte Range = 0x35; const byte Debloque = 0x0D; const unsigned int x = 0, y = 1, z = 2; byte info_actuelle = 0; void setup() pinMode(slaveSelectPin, OUTPUT); SPI.begin(); SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8); SPI.setDataMode(SPI_MODE3); //polarity 1, phase 1 : mode 3 SPI.setBitOrder(MSBFIRST); digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); // assure un CS high delay(2000); // attend 2 secondes Serial.begin(115200); Serial.println("Test de connection;"); while( BMA180_init() ) Serial.println("Erreur de connection au BMA180;"); delay(1000); Serial.println("Connection au BMA180 reussie;"); //---mettre le range à 16g write_protection(false); EcrireRegistre(Range, info_actuelle | 0x0C & 0xFD); // set range à 16g write_protection(true); delay(10); //attend les données valides void loop() boolean negatif; unsigned long temps; word capture; float result; for(int i = 0; i<3; i++) //---vérifie qu'il y a une nouvelle donnée // do // // capture = LireRegistre( byte(LSB_accel_x + 2*i)); // // while( capture & 0x1 == 0 ); //---active shadow dis // write_protection(false); // info_actuelle = LireRegistre(Shadow_dis); // EcrireRegistre(Shadow_dis, info_actuelle | 0x01); temps = micros(); // write_protection(true);

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digitalWrite(slaveSelectPin, LOW); delayMicroseconds(1); SPI.transfer(byte(LSB_accel_x + 2*i) | read_command); info_actuelle = SPI.transfer(0x0); //LSB capture = SPI.transfer(0x0); //MSB delayMicroseconds(1); digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); //---extraire l'information capture <<= 8; //shift pour faire de la place pour le LSB capture |= info_actuelle; capture >>= 2; // capture = LireRegistre( byte(LSB_accel_x + 2*i + 1)); //prendre le MSB en premier // capture <<= 8; //shift pour faire de la place pour le LSB // capture |= LireRegistre( byte(LSB_accel_x + 2*i)); // capture >>= 2; //shift pour effacer les 2 bits de status //---désactive shadow dis // write_protection(false); // info_actuelle = LireRegistre(Shadow_dis); // EcrireRegistre(Shadow_dis, info_actuelle & 0xFE); // write_protection(true); //---calcul pour mettre en facteur de "g" if( (capture & 0x2000) == 0x2000 ) // si bit 13 = 1 on a un négatif capture |= 0xC000; //forcer des 1 au bit 14 et 15 else capture &= 0x3FFF; //forcer des 0 au bit 14 et 15 result = int(capture) * 1.98; //---envois l'information switch (i) case x: case y: Serial.print(result); Serial.print(";"); Serial.print(temps); Serial.print(";"); break; case z: Serial.print(result); Serial.print(";"); Serial.print(temps); Serial.println(";"); break; default: Serial.println("Error"); break; void write_protection(boolean Enable) switch(Enable) case false: //débarrer l'écriture info_actuelle = LireRegistre(Debloque); EcrireRegistre(Debloque, info_actuelle | 0x10); // set ee_w bit "permettre l'écriture" break; case true: //rebarrer l'écriture info_actuelle = LireRegistre(Debloque);

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EcrireRegistre(Debloque, info_actuelle & 0xEF); // clear ee_w bit "protéger contre l'écriture" break; default: break; boolean BMA180_init() //à changer pour "info_actuelle = LireRegistre(Chip_id);" info_actuelle = LireRegistre(Chip_id); if( int(info_actuelle) == 3) return false; // tout va bien else Serial.print("Chip_id="); Serial.print(info_actuelle, BIN); Serial.println(";"); return true; // connection impossible byte LireRegistre(byte Adresse) byte data = 0; digitalWrite(slaveSelectPin, LOW); delayMicroseconds(1); SPI.transfer(Adresse | read_command); data = SPI.transfer(0x0); delayMicroseconds(1); digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); return data; void EcrireRegistre(byte Adresse, byte Data) digitalWrite(slaveSelectPin, LOW); delayMicroseconds(1); SPI.transfer(Adresse & write_command); SPI.transfer(Data); delayMicroseconds(1); digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); return;

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5.2.2 Code uniaxial #include <SPI.h> const unsigned int slaveSelectPin = 10; const byte write_command = 0x7F; const byte read_command = 0x80; const byte Chip_id = 0x00; const byte temperature = 0x08; const byte LSB_accel_x = 0x02; //MSB @ *LSB +1 ; lsb_y @ *x+2 ; lsb_z @ *x+4 const byte Shadow_dis = 0x33; const byte Range = 0x35; const byte Debloque = 0x0D; const unsigned int x = 0, y = 1, z = 2; byte info_actuelle = 0; unsigned long temps; word capture; float result; void setup() pinMode(slaveSelectPin, OUTPUT); SPI.begin(); SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8); SPI.setDataMode(SPI_MODE3); //polarity 1, phase 1 : mode 3 SPI.setBitOrder(MSBFIRST); digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); // assure un CS high delay(2000); // attend 2 secondes Serial.begin(115200); Serial.println("Test de connection;"); while( BMA180_init() ) Serial.println("Erreur de connection au BMA180;"); delay(1000); Serial.println("Connection au BMA180 reussie;"); //---mettre le range à 16g write_protection(false); EcrireRegistre(Range, info_actuelle | 0x0C & 0xFD); // set range à 16g write_protection(true); delay(10); //attend les données valides void loop() // boolean negatif; // unsigned long temps; // word capture; // float result; // for(int i = 0; i<3; i++) // //---vérifie qu'il y a une nouvelle donnée // do // // capture = LireRegistre( byte(LSB_accel_x + 2*i)); // // while( capture & 0x1 == 0 ); //---active shadow dis // write_protection(false); // info_actuelle = LireRegistre(Shadow_dis); // EcrireRegistre(Shadow_dis, info_actuelle | 0x01); temps = micros(); // write_protection(true);

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digitalWrite(slaveSelectPin, LOW); delayMicroseconds(1); SPI.transfer(0x84); //byte(LSB_accel_x + 2*i) | read_command info_actuelle = SPI.transfer(0x0); //LSB capture = SPI.transfer(0x0); //MSB delayMicroseconds(1); digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); //---extraire l'information capture <<= 8; //shift pour faire de la place pour le LSB capture |= info_actuelle; capture >>= 2; // capture = LireRegistre( byte(LSB_accel_x + 2*i + 1)); //prendre le MSB en premier // capture <<= 8; //shift pour faire de la place pour le LSB // capture |= LireRegistre( byte(LSB_accel_x + 2*i)); // capture >>= 2; //shift pour effacer les 2 bits de status //---désactive shadow dis // write_protection(false); // info_actuelle = LireRegistre(Shadow_dis); // EcrireRegistre(Shadow_dis, info_actuelle & 0xFE); // write_protection(true); //---calcul pour mettre en facteur de "g" if( (capture & 0x2000) == 0x2000 ) // si bit 13 = 1 on a un négatif capture |= 0xC000; //forcer des 1 au bit 14 et 15 else capture &= 0x3FFF; //forcer des 0 au bit 14 et 15 result = int(capture) * 1.98; //---envois l'information // switch (i) // // case x: // case y: Serial.print(result); Serial.print(";"); Serial.print(temps); Serial.print(";"); // break; // // case z: // Serial.print(result); // Serial.print(";"); // Serial.print(temps); // Serial.println(";"); // break; // // default: // Serial.println("Error"); // break; // // void write_protection(boolean Enable) switch(Enable) case false: //débarrer l'écriture info_actuelle = LireRegistre(Debloque); EcrireRegistre(Debloque, info_actuelle | 0x10); // set ee_w bit "permettre l'écriture" break; case true: //rebarrer l'écriture info_actuelle = LireRegistre(Debloque);

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EcrireRegistre(Debloque, info_actuelle & 0xEF); // clear ee_w bit "protéger contre l'écriture" break; default: break; boolean BMA180_init() //à changer pour "info_actuelle = LireRegistre(Chip_id);" info_actuelle = LireRegistre(Chip_id); if( int(info_actuelle) == 3) return false; // tout va bien else Serial.print("Chip_id="); Serial.print(info_actuelle, BIN); Serial.println(";"); return true; // connection impossible byte LireRegistre(byte Adresse) byte data = 0; digitalWrite(slaveSelectPin, LOW); delayMicroseconds(1); SPI.transfer(Adresse | read_command); data = SPI.transfer(0x0); delayMicroseconds(1); digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); return data; void EcrireRegistre(byte Adresse, byte Data) digitalWrite(slaveSelectPin, LOW); delayMicroseconds(1); SPI.transfer(Adresse & write_command); SPI.transfer(Data); delayMicroseconds(1); digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); return;

5.3 Code source du prototype avec jauge void setup() Serial.begin(115200); //Vitesse maximale de transfert analogReference(EXTERNAL); //ajuste le référentiel analogique sur la valeur externe void loop() Serial.println(analogRead(A0)); //lis et envois l'information via port série delay(1); //1 milliseconde de délai

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5.4 Code source du prototype avec laser #include <LCD4Bit_mod.h> LCD4Bit_mod lcd = LCD4Bit_mod(2); int Signal1 = 2, Signal2 = 3; int STATE, PreSTATE; const int NUM_KEYS = 5; const int adc_key_val[NUM_KEYS] =30, 150, 360, 535, 760 ; int key = -1, oldkey = -1; boolean en_position = false, lasers_detectes = false, lasers_non_detectes = false, fin_affichage = false; char buf1[50], buf2[50]; unsigned long depart, fin, hauteur; void setup() pinMode(Signal1, INPUT); pinMode(Signal2, INPUT); pinMode(11,INPUT); lcd.init(); lcd.clear(); STATE = 0; // 0 : mise en position; 1: attend le saut; 2 :le saut; 3 : atterrissage; 4 : calcul et affichage; PreSTATE = 5; // un état avant l'état void loop() //---Condition--- switch( STATE ) case 0: case 5: //touche pressé if( key_detector() ) en_position = true; else en_position = false; break; case 1: //au moins un laser présent if( digitalRead(Signal1)==LOW || digitalRead(Signal2)==LOW ) lasers_detectes = true; else lasers_detectes = false; break; case 3: //aucun laser présent if( digitalRead(Signal1)==HIGH && digitalRead(Signal2)==HIGH ) lasers_non_detectes = true; else lasers_non_detectes = false; break; // case 5: // if( digitalRead(11) == HIGH ) fin_affichage = true; // else fin_affichage = false; default: break; //---Transition--- switch( STATE ) case 0: if( en_position ) STATE=1; en_position = false; oldkey = -1; break; case 1:

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if( lasers_detectes ) STATE=2; lasers_detectes = false; break; case 2: STATE=3; break; case 3: if( lasers_non_detectes ) STATE=4; lasers_non_detectes = false; break; case 4: STATE=5; break; case 5: if( en_position ) STATE=0; en_position = false; oldkey = -1; break; default: STATE=0; break; //---Action--- switch( STATE ) case 0: hauteur=fin=depart=0; //affichage sprintf(buf1, "En position!"); sprintf(buf2, " "); affiche_STATE(); break; case 1: sprintf(buf1, "Sautez!"); sprintf(buf2, " "); affiche_STATE(); break; case 2: //prend la valeur de départ depart = micros(); break; case 4: if(fin==0) //prend la valeur finale fin = micros(); //calcul if( fin>depart ) hauteur = Calcul_de_Hauteur( fin-depart ); else hauteur = Calcul_de_Hauteur ( 0xFFFFFFFF-depart+fin ); //affichage // sprintf(buf1, "Distance:"); // sprintf(buf2, "%lu mm", hauteur);

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// sprintf(buf1, "Temps de vol:"); // sprintf(buf2, "%lu us", fin-depart); sprintf(buf1, "%lu mm", hauteur); sprintf(buf2, "%lu us", fin-depart); affiche_STATE(); break; default: break; unsigned long Calcul_de_Hauteur(unsigned long temps) unsigned long hauteur; hauteur = temps/1000; hauteur *= hauteur; hauteur /= 8; hauteur *= 981; hauteur /= 100000; return hauteur; void affiche_STATE(void) char test; if(PreSTATE!=STATE) lcd.clear(); lcd.cursorTo(1, 0); lcd.printIn(buf1); lcd.cursorTo(2, 0); lcd.printIn(buf2); PreSTATE=STATE; int get_key(unsigned int input) int k; for (k = 0; k < NUM_KEYS; k++) if (input < adc_key_val[k]) return k; if (k >= NUM_KEYS) k = -1; // No valid key pressed return k; boolean key_detector() int adc_key_in = analogRead(0); // read the value from the sensor key = get_key(adc_key_in); // convert into key press if (key != oldkey) // if keypress is detected delay(50); // wait for debounce time adc_key_in = analogRead(0); // read the value from the sensor key = get_key(adc_key_in); // convert into key press if (key != oldkey)

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oldkey = key; return true; return false;

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5.5 Détails de captures

5.5.1 Mouvements des genoux seuls:

5.5.2 1er saut standard

3500 3700 3900 4100 4300 4500 4700 4900 5100 5300

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

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5.5.3 2ième saut standard

5.5.4 3ième saut standard

5100 5300 5500 5700 5900 6100 6300 6500 6700 6900

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 8400

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

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5.5.5 1er saut avec atterrissage genoux pliés (saut réussi)

5.5.6 2ième saut avec atterrissage genoux pliés (saut presque réussi, genoux demi-pliés)

8800 9000 9200 9400 9600 9800 10000 10200 10400 10600

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

11000 11200 11400 11600 11800 12000 12200 12400 12600 12800

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

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5.5.7 3ième saut avec atterrissage genoux pliés (saut presque échoué, déséquilibre presque final)

5.5.8 4ième saut avec atterrissage genoux pliés (saut réussi)

13500 13700 13900 14100 14300 14500 14700 14900 15100 15300

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

15550 15750 15950 16150 16350 16550 16750 16950 17150 17350

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000