FR2895499A1

FR2895499A1 - Estimation of the orientation of an object, especially a person moving in the sagittal plane, by attachment of a magnetometer to the object and using it to detect changes in direction relative to a magnetic field

Info

Publication number: FR2895499A1
Application number: FR0513270A
Authority: FR
Inventors: Stephane Bonnet; Rodolphe Heliot
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
Current assignee: Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-06-29

Abstract

Method for estimating the orientation of a solid object that rotates within a non-horizontal plane, in which: the object is equipped with a magnetic sensor that is sensitive to changes in direction; and at least one orientation angle of the object, relative to a reference within the plane, is estimated, where angle is determined from the sensor (21) measurements. The sensor is sensitive to a magnetic field and is sensitive along at least two axes. The invention also relates to a corresponding device.

Description

La présente invention concerne un procédé d'estimation de l'orientationThe present invention relates to a method for estimating orientation

d'un solide. Elle concerne également un dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide. Plus généralement, la présente invention concerne l'observation en 10 temps réel de l'orientation d'un segment au cours du temps, même dans des situations dynamiques. Elle concerne en particulier l'estimation de l'orientation d'un solide en mouvement contraint dans un plan. Plus particulièrement, la présente invention trouve une application en 15 biomécanique dans l'observation des mouvements chez l'homme, comme la marche, le lever d'une chaise. Ce type de mouvement dynamique est limité à une rotation dans un plan non horizontal autour d'un axe fixe ou mobile. La présente invention vise aussi à estimer l'orientation relative de deux segments articulés l'un par rapport à l'autre et animés d'un mouvement de 20 rotation dans un même plan non horizontal. L'angle entre ces deux segments varie de manière continue dans le temps. Il s'agit d'un type de mouvements très particulier mais présent chez l'homme, dans la classe des mouvements réalisés dans le plan sagittal. Plusieurs approches ont été utilisées à ce jour pour tenter d'observer 25 en temps réel l'orientation d'un solide. En particulier, il est connu d'utiliser des systèmes optoélectroniques (caméras associées à des marqueurs embarqués sur le solide observé) ou des systèmes à ultrasons. Ces systèmes permettent d'accéder à une information de position de manière précise mais sont des solutions coûteuses, limitées à un 30 environnement équipé pour permettre cette observation. of a solid. It also relates to a device for estimating the orientation of a solid. More generally, the present invention relates to real-time observation of the orientation of a segment over time, even in dynamic situations. It relates in particular to the estimation of the orientation of a solid in constrained motion in a plane. More particularly, the present invention finds application in biomechanics in the observation of movements in humans, such as walking, lifting a chair. This type of dynamic movement is limited to a rotation in a non-horizontal plane around a fixed or moving axis. The present invention also aims to estimate the relative orientation of two segments articulated with respect to each other and driven by a rotational movement in the same non-horizontal plane. The angle between these two segments varies continuously in time. It is a very particular type of movement but present in humans, in the class of movements made in the sagittal plane. Several approaches have been used to date to try to observe in real time the orientation of a solid. In particular, it is known to use optoelectronic systems (cameras associated with markers embedded on the observed solid) or ultrasound systems. These systems provide accurate access to position information but are expensive solutions, limited to an environment equipped to allow this observation.

D'autres approches se fondent sur l'utilisation de capteurs embarqués sur la personne, telle que l'utilisation de goniomètres, d'accéléromètres, ou encore de gyroscopes. Des centrales inertielles utilisent à la fois des accéléromètres 5 associés à des gyroscopes et des magnétomètres. Toutefois, un accéléromètre mesure en permanence une composante gravitationnelle, toujours présente, et une composante d'accélération propre, absente en cas de conditions statiques de l'accéléromètre. 10 Cependant, il n'est en général pas possible dans des situations dynamiques de dissocier ces deux composantes. Par conséquent, il est difficile, voire impossible, à partir de telles mesures dynamiques de connaître l'information angulaire (c'est-à-dire l'accélération due à la gravité pendant la durée du mouvement). 15 II est alors nécessaire d'utiliser des capteurs annexes, tels que par exemple des gyromètres. De môme, il est délicat de remonter à l'information angulaire à partir des mesures réalisées par un gyromètre, du fait de la dérive introduite par l'intégration de la valeur mesurée en sortie du gyromètre. Cette dérive 20 augmente au cours du temps et nécessite de resynchroniser régulièrement la mesure du gyromètre avec un autre système. La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients précités et de proposer un procédé et un dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide permettant de s'affranchir de l'accélération du solide. 25 À cet effet, la présente invention concerne un procédé d'estimation de l'orientation d'un solide animé d'un mouvement de rotation dans un plan non horizontal, solide équipé d'au moins un capteur sensible aux changements d'orientation. Selon l'invention, le procédé comprend une étape d'estimation d'au 30 moins un angle dans le plan par rapport à un référentiel, à partir des mesures dudit capteur sensible à un champ magnétique et ayant au moins deux axes de sensibilité. 3 Le champ magnétique peut être le champ magnétique terrestre local ou un champ généré par une source artificielle électromagnétique. Grâce à l'utilisation d'un capteur sensible à un champ magnétique, il est possible de détecter les variations angulaires du capteur. Un capteur sensible à un champ magnétique n'étant pas sensible aux accélérations, l'acquisition de mesures à partir d'un capteur sensible à un champ magnétique permet d'obtenir une information angulaire sur l'orientation d'un solide en dehors de toute composante dynamique liée au mouvement. En pratique, le capteur sensible à un champ magnétique comprend deux axes de sensibilité dans le plan du mouvement du solide. Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape de détermination de l'accélération propre du solide dans le plan à partir des mesures d'un capteur sensible à l'accélération, l'accélération mesurée par ledit capteur sensible à l'accélération étant décomposée en une composante gravitationnelle obtenue à partir de l'angle dans le plan estimé à ladite étape d'estimation et en une composante cinématique. Le procédé d'estimation conforme à l'invention permet ainsi grâce à l'emploi conjoint d'un magnétomètre et d'un accéléromètre de réaliser dans un premier temps l'estimation d'un angle dans le plan, et dans un second temps, la détermination de l'accélération propre due au mouvement du solide. Corrélativement la présente invention concerne également un procédé d'estimation de l'orientation relative de deux solides animés d'un mouvement de rotation dans un même plan non horizontal, chaque solide étant équipé d'un capteur sensible aux changements d'orientation. Other approaches are based on the use of sensors embedded in the person, such as the use of goniometers, accelerometers, or gyroscopes. Inertial units use both accelerometers associated with gyroscopes and magnetometers. However, an accelerometer permanently measures a gravitational component, always present, and a proper acceleration component, absent in case of static conditions of the accelerometer. However, it is not generally possible in dynamic situations to separate these two components. Therefore, it is difficult, if not impossible, from such dynamic measurements to know the angular information (i.e. the acceleration due to gravity during the duration of the motion). It is then necessary to use auxiliary sensors, such as, for example, gyrometers. Similarly, it is difficult to go back to the angular information from the measurements made by a gyro, because of the drift introduced by the integration of the measured value at the output of the gyrometer. This drift 20 increases over time and requires regular resynchronization of the measurement of the gyrometer with another system. The present invention aims to solve the aforementioned drawbacks and to provide a method and a device for estimating the orientation of a solid to overcome the acceleration of the solid. To this end, the present invention relates to a method for estimating the orientation of a solid animated by a rotational movement in a non-horizontal, solid plane equipped with at least one sensor sensitive to changes of orientation. According to the invention, the method comprises a step of estimating at least one angle in the plane relative to a reference frame, from the measurements of said magnetic field sensitive sensor and having at least two sensitivity axes. 3 The magnetic field may be the local terrestrial magnetic field or a field generated by an electromagnetic artificial source. Thanks to the use of a sensor sensitive to a magnetic field, it is possible to detect the angular variations of the sensor. Since a sensor sensitive to a magnetic field is not sensitive to accelerations, the acquisition of measurements from a sensor sensitive to a magnetic field makes it possible to obtain angular information on the orientation of a solid outside any dynamic component related to the movement. In practice, the magnetic field sensitive sensor comprises two axes of sensitivity in the plane of movement of the solid. Advantageously, the method further comprises a step of determining the proper acceleration of the solid in the plane from the measurements of an acceleration sensitive sensor, the acceleration measured by said acceleration sensitive sensor being decomposed into a gravitational component obtained from the angle in the plane estimated at said estimation step and a kinematic component. The estimation method according to the invention thus makes it possible, thanks to the joint use of a magnetometer and an accelerometer, to first make the estimation of an angle in the plane, and in a second step, the determination of the proper acceleration due to the movement of the solid. Correlatively the present invention also relates to a method for estimating the relative orientation of two solids driven by a rotational movement in the same non-horizontal plane, each solid being equipped with a sensor sensitive to changes of orientation.

Le procédé d'estimation comprend une étape d'estimation de l'orientation dans le plan d'un solide par rapport à l'autre solide, à partir des mesures d'au moins deux magnétomètres ayant chacun au moins deux axes de sensibilité, chaque magnétomètre étant disposé respectivement sur un solide. Le procédé conforme à l'invention permet ainsi d'estimer l'orientation relative de deux segments articulés l'un par rapport à l'autre et animés d'un mouvement de rotation dans un même plan non horizontal. The estimation method comprises a step of estimating the orientation in the plane of a solid relative to the other solid, from the measurements of at least two magnetometers each having at least two axes of sensitivity, each magnetometer being disposed respectively on a solid. The method according to the invention thus makes it possible to estimate the relative orientation of two segments articulated with respect to each other and driven by a rotational movement in the same non-horizontal plane.

En pratique, en vue de simplifier les mesures, lesdits magnétomètres sont montés dans une position initiale de telle sorte que lesdits au moins deux axes de sensibilité sont alignés deux à deux. Selon un second aspect, la présente invention concerne également un dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide animé d'un mouvement de rotation dans un plan non horizontal, solide équipé d'au moins un capteur sensible aux changements d'orientation. Selon l'invention, le capteur est un capteur sensible à un champ magnétique et ayant au moins deux axes de sensibilité. In practice, in order to simplify the measurements, said magnetometers are mounted in an initial position so that said at least two sensitivity axes are aligned in pairs. According to a second aspect, the present invention also relates to a device for estimating the orientation of a solid animated with a rotational movement in a non-horizontal, solid plane equipped with at least one sensor sensitive to changes of orientation. . According to the invention, the sensor is a sensor sensitive to a magnetic field and having at least two axes of sensitivity.

En particulier, ce dispositif de mesure est adapté à mettre en oeuvre le procédé d'estimation de l'orientation d'un solide animé d'un mouvement de rotation dans un plan non horizontal conforme à l'invention. Il présente des avantages et caractéristiques analogues à ceux décrits précédemment en référence avec le procédé d'estimation conforme à l'invention. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : - la figure 1 est un schéma illustrant la mise en oeuvre du procédé d'estimation de l'orientation relative de deux solides dans le cas de la marche d'un homme en ligne droite selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 2A et 2B sont une représentation en coordonnées sphériques d'un vecteur mesuré en sortie d'un dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide selon un mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 3 et 4 sont des schémas illustrant un dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide conforme à un mode de réalisation de l'invention appliqué à l'estimation du mouvement du torse d'une personne. On va décrire à présent en référence à la figure 1, un dispositif d'estimation de l'orientation relative de deux solides et le procédé associé dans une première application de l'invention. Ici, on a illustré le cas de la marche de l'homme en ligne droite. In particular, this measuring device is adapted to implement the method of estimating the orientation of a solid animated with a rotational movement in a non-horizontal plane according to the invention. It has advantages and features similar to those described above with reference to the estimation method according to the invention. Other features and advantages of the invention will become apparent in the description below. In the accompanying drawings, given as non-limiting examples: FIG. 1 is a diagram illustrating the implementation of the method for estimating the relative orientation of two solids in the case of walking a man online right according to one embodiment of the invention; FIGS. 2A and 2B are a representation in spherical coordinates of a vector measured at the output of a device for estimating the orientation of a solid according to one embodiment of the invention; and - Figures 3 and 4 are diagrams illustrating a device for estimating the orientation of a solid according to an embodiment of the invention applied to the estimation of the movement of a person's torso. A device for estimating the relative orientation of two solids and the associated method in a first application of the invention will now be described with reference to FIG. Here, we have illustrated the case of man walking in a straight line.

Le dispositif d'estimation de l'orientation comprend dans ce mode de réalisation deux magnétomètres sensibles à un champ magnétique, et plus particulièrement au champ magnétique terrestre. On notera que le champ magnétique peut également être généré 5 localement par une source artificielle électromagnétique. Un premier magnétomètre 11 est posé par exemple sur le tibia d'un homme et le second magnétomètre 12 est posé sur la cuisse de la même jambe. En pratique, on cherche à observer l'angle du genou en temps réel, c'est-à-dire l'angle formé par la cuisse et le tibia lors de la marche d'un homme en ligne droite. Ce type d'estimation du mouvement du genou est utile par exemple dans le cadre de la rééducation et d'une orthèse de genou. Les deux magnétomètres 11 et 12 sont placés dans un 15 environnement non perturbé magnétiquement de telle sorte que ces deux magnétomètres 11, 12 mesurent chacun uniquement le champ magnétique terrestre. De préférence, on réalise une étape de calibrage de manière à définir une orientation initiale relative des deux magnétomètres 11, 12. 20 Chaque magnétomètre a dans cet exemple trois axes de sensibilité. Bien entendu, seuls deux axes de sensibilité pourraient suffire dès lors que les deux axes de sensibilité de chaque magnétomètre sont dans le plan du mouvement de la jambe. Ici, le premier magnétomètre 11 a trois axes de sensibilité xbl, ybl 25 et zbl . Le second magnétomètre 12 a trois axes de sensibilité xb2, yb2 et zb2. Dans cette application, on considère que la marche est réalisée en ligne droite de telle sorte que les axes xbl, zbl et xb2, zb2 sont en permanence 30 situés dans un même plan, et ici un plan vertical. 6 Corrélativement, les axes ybl et yb2 sont confondus et dirigés suivant une même direction horizontale perpendiculaire au plan vertical de la marche. Dans ce mouvement étudié, il existe en réalité un nombre dégradé de degrés de liberté. En particulier, le mouvement est fonction uniquement de deux angles, un angle d'azimut correspondant à la rotation dans le plan horizontal autour d'un axe z et un angle d'élévation correspondant à la rotation dans le méridien autour d'un axe y. Par exemple, dans le cas de la marche en ligne droite, l'angle d'azimut est fixe et l'angle d'élévation varie. L'angle d'azimut yJ et l'angle d'élévation 0 sont illustrés sur les figures 2A et 2B dans un système de coordonnées sphériques. On peut considérer que dans la position initiale les axes sensibles des capteurs 11, 12 sont alignés deux à deux et avec les axes anatomiques de la personne. En particulier, les axes zbl et zb2 des magnétomètres 11, 12 sont alignés et disposés verticalement lorsque la jambe est dans une position droite et au repos, c'est-à-dire que l'angle du genou est nul. En pratique, les mesures acquises en sortie des deux magnétomètres 11, 12 sont échantillonnées dans le temps. À chaque instant donné, on mesure ainsi deux vecteurs à trois composantes correspondant ainsi à la mesure de chaque capteur 11, 12 selon ses trois axes de sensibilité. On note v_bl[n] et v_b2[n] les vecteurs à trois composantes mesurés pour chaque magnétomètre 11, 12 dans un repère mobile qui lui est propre, les vecteurs ayant une norme identique. En pratique, pour connaître l'angle formé par le genou, il convient de rechercher la matrice de rotation qui permet de passer d'un vecteur à l'autre. Cette recherche est simplifiée dès lors qu'il est possible d'anticiper la nature de la matrice de rotation. In this embodiment, the orientation estimation device comprises two magnetometers sensitive to a magnetic field, and more particularly to the earth's magnetic field. It should be noted that the magnetic field can also be generated locally by an electromagnetic artificial source. A first magnetometer 11 is placed for example on the shin of a man and the second magnetometer 12 is placed on the thigh of the same leg. In practice, we try to observe the angle of the knee in real time, that is to say the angle formed by the thigh and tibia when walking a man in a straight line. This type of estimation of the knee movement is useful for example in the context of rehabilitation and a knee orthosis. The two magnetometers 11 and 12 are placed in a magnetically undisturbed environment such that these two magnetometers 11, 12 each measure only the earth's magnetic field. Preferably, a calibration step is carried out so as to define a relative initial orientation of the two magnetometers 11, 12. In this example, each magnetometer has three sensitivity axes. Of course, only two axes of sensitivity could be sufficient since the two sensitivity axes of each magnetometer are in the plane of movement of the leg. Here, the first magnetometer 11 has three axes of sensitivity xbl, ybl and zbl. The second magnetometer 12 has three sensitivity axes xb2, yb2 and zb2. In this application, it is considered that the step is performed in a straight line so that the axes xbl, zbl and xb2, zb2 are permanently located in the same plane, and here a vertical plane. 6 Correlatively, the ybl and yb2 axes are merged and directed in the same horizontal direction perpendicular to the vertical plane of the step. In this studied movement, there is actually a gradual number of degrees of freedom. In particular, the movement is a function of only two angles, an azimuth angle corresponding to the rotation in the horizontal plane around a z-axis and an elevation angle corresponding to the rotation in the meridian about an axis y . For example, in the case of walking in a straight line, the azimuth angle is fixed and the elevation angle varies. The azimuth angle γJ and the elevation angle θ are illustrated in FIGS. 2A and 2B in a spherical coordinate system. It can be considered that in the initial position the sensitive axes of the sensors 11, 12 are aligned in pairs and with the anatomical axes of the person. In particular, the zbl and zb2 axes of the magnetometers 11, 12 are aligned and arranged vertically when the leg is in an upright position and at rest, that is to say that the angle of the knee is zero. In practice, the measurements acquired at the output of the two magnetometers 11, 12 are sampled in time. At each given instant, two three-component vectors are thus measured, thus corresponding to the measurement of each sensor 11, 12 along its three axes of sensitivity. We denote by v_bl [n] and v_b2 [n] the three-component vectors measured for each magnetometer 11, 12 in a moveable reference frame of its own, the vectors having an identical standard. In practice, to find out the angle formed by the knee, it is necessary to look for the rotation matrix which makes it possible to pass from one vector to another. This search is simplified when it is possible to anticipate the nature of the rotation matrix.

Dans cet exemple d'application, la matrice de rotation correspond à une rotation selon un axe y, confondu en permanence avec les axes ybl et yb2 des repères mobiles propres à chaque magnétomètre 11, 12. In this example of application, the rotation matrix corresponds to a rotation along an axis y, permanently confused with the axes yb1 and yb2 of the movable marks specific to each magnetometer 11, 12.

Le modèle qui relie les vecteurs mesurés en sortie des magnétomètres 11, 12 est du type : v_bl[n] = R(9)v_b2[n] L'estimation angulaire prend en compte simultanément les deux mesures données par les deux capteurs 11, 12, puis on cherche la matrice de rotation R qui permet d'exprimer la mesure v_b2 dans un repère mobile lié à v_bl. On obtient ainsi directement l'angle de rotation d'un capteur par rapport à l'autre capteur et non les angles de rotation de chacun des capteurs par rapport à un référentiel fixe. The model which connects the vectors measured at the output of the magnetometers 11, 12 is of the type: v_bl [n] = R (9) v_b2 [n] The angular estimation simultaneously takes into account the two measurements given by the two sensors 11, 12 , then we look for the rotation matrix R which makes it possible to express the measurement v_b2 in a movable reference linked to v_bl. This gives the angle of rotation of one sensor directly relative to the other sensor and not the rotation angles of each of the sensors relative to a fixed reference.

Par une technique d'optimisation connue, on détermine l'angle d'élévation 0 de la matrice de rotation R en minimisant une fonction de coût du type : J(9) _: IIv _ bl[n] ù R(0)v _ b2[n] 2 où 0 désigne l'angle de rotation autour de l'axe y, 0 étant égale à 0 lorsque la jambe est droite. La minimisation de cette fonction permet ainsi de déterminer l'angle d'élévation 0 correspondant à l'angle de rotation autour de l'axe y, donc à l'angle du genou. Bien entendu, on a décrit précédemment la détermination d'un seul angle, et par exemple l'angle d'élévation O. On pourrait également mettre en oeuvre l'invention pour la détermination de deux angles à l'aide des magnétomètres, et par exemple la détermination à la fois de l'angle d'élévation 0 et de l'angle d'azimut y notamment si la marche étudiée n'est plus en ligne droite. By a known optimization technique, the elevation angle θ of the rotation matrix R is determined by minimizing a cost function of the following type: J (9) _: IIv_bl [n] ù R (0) v _ b2 [n] 2 where 0 is the angle of rotation around the y axis, where 0 is 0 when the leg is straight. The minimization of this function thus makes it possible to determine the elevation angle θ corresponding to the angle of rotation around the y axis, and thus to the angle of the knee. Of course, the determination of a single angle, and for example the elevation angle O, has previously been described. The invention could also be used for the determination of two angles by means of magnetometers, and by for example, the determination of both the elevation angle θ and the azimuth angle γ in particular if the step studied is no longer in a straight line.

Bien que dans ce mode de réalisation, le capteur de position angulaire est constitué de deux capteurs sensibles à un champ magnétique 11, 12, l'invention peut également être mise en oeuvre avec un unique magnétomètre sensible au champ magnétique terrestre afin d'estimer l'orientation d'un solide animé d'un mouvement de rotation dans un plan non horizontal. 8 Dans ce cas, l'estimation de l'orientation du solide est déterminée à partir de l'angle dans le plan de ce magnétomètre par rapport à un repère, qui peut correspondre à une orientation initiale du solide en mouvement, et donc du capteur, ou à un référentiel fixe. Although in this embodiment, the angular position sensor consists of two sensors sensitive to a magnetic field 11, 12, the invention can also be implemented with a single magnetometer sensitive to the Earth's magnetic field to estimate the magnetic field. orientation of a solid animated with a rotational movement in a non-horizontal plane. In this case, the estimation of the orientation of the solid is determined from the angle in the plane of this magnetometer with respect to a marker, which may correspond to an initial orientation of the moving solid, and therefore of the sensor. , or a fixed repository.

Par exemple, si un magnétomètre est uniquement placé sur la cuisse, correspondant par exemple au magnétomètre 12 à la figure 1, il est possible à partir du vecteur mesuré sur les trois axes de sensibilité du magnétomètre 12 de trouver l'angle de rotation par rapport à un vecteur d'orientation initial v_bl[O]. For example, if a magnetometer is only placed on the thigh, corresponding for example to the magnetometer 12 in FIG. 1, it is possible from the vector measured on the three sensitivity axes of the magnetometer 12 to find the angle of rotation relative to to an initial orientation vector v_bl [O].

Le modèle qui relie le mouvement aux mesures est du type : v_bl[n] = R(8)v_bl[0] Bien entendu, l'utilisation du dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide tel que décrit précédemment et le procédé mis en oeuvre pour déterminer l'orientation du solide en mouvement n'est pas limitée à l'étude de la marche, mais peut être utilisée dans de nombreux autres cas d'application. On va décrire à présent en référence aux figures 3 et 4 un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel le dispositif d'estimation de l'orientation d'un solide, outre un capteur sensible à un champ magnétique 21, comprend également un capteur sensible à l'accélération du solide. The model that links the motion to the measurements is of the type: v_bl [n] = R (8) v_bl [0] Of course, the use of the device for estimating the orientation of a solid as described above and the The method used to determine the orientation of the moving solid is not limited to the study of walking, but can be used in many other applications. A second embodiment of the invention will now be described with reference to FIGS. 3 and 4, in which the device for estimating the orientation of a solid, in addition to a sensor sensitive to a magnetic field 21, also comprises a sensor sensitive to the acceleration of the solid.

Ce capteur sensible à l'accélération 22 peut être par exemple un accéléromètre. Ainsi, le capteur sensible à un champ magnétique 21 est associé à un capteur sensible à l'accélération 22 pour former une centrale d'attitude. Comrne illustré sur la figure 4, la mesure réalisée en sortie d'un 25 accéléromètre 22 comprend une composante vectorielle liée à la pesanteur g et une composante vectorielle cinématique 7 due aux mouvements propres du solide observé. Ainsi, l'accélération en sortie de l'accéléromètre s'exprime de la manière suivante : 30 y') _= 52+ g 9 Grâce à l'invention et à la mesure réalisée par le magnétomètre 21, il est possible de déterminer l'angle 0 correspondant à la rotation du solide autour de l'axe y de manière à déduire la composante liée à la pesanteur g et ainsi d'accéder à la composante cinématique mesurée par l'accéléromètre 22. This acceleration-sensitive sensor 22 may for example be an accelerometer. Thus, the sensor sensitive to a magnetic field 21 is associated with an acceleration sensitive sensor 22 to form an attitude center. As illustrated in FIG. 4, the measurement made at the output of an accelerometer 22 comprises a gravitational vector component g and a kinematic vector component 7 due to the eigen movements of the solid observed. Thus, the acceleration at the output of the accelerometer is expressed as follows: With the invention and with the measurement made by the magnetometer 21, it is possible to determine the angle 0 corresponding to the rotation of the solid around the y axis so as to deduce the component related to the gravity g and thus to access the kinematic component measured by the accelerometer 22.

En pratique, comme bien illustré sur la figure 3, il est possible à partir du vecteur à trois composantes mesuré en sortie du magnétomètre 21 de déduire deux angles de rotation du solide, c'est-à-dire deux degrés de liberté. Comme indiqué précédemment, on choisira de préférence l'angle d'azimut yf et l'angle d'élévation O. In practice, as well illustrated in Figure 3, it is possible from the three-component vector measured at the output of the magnetometer 21 to deduce two rotation angles of the solid, that is to say two degrees of freedom. As indicated above, the azimuth angle yf and the elevation angle O will preferably be chosen.

En revanche, on considère que la rotation dite de roulis autour de l'axe xb est nulle ou bien de caractéristiques connues prédéterminées. Le modèle de mouvement s'écrit alors : v_b[n] = R(0,yi)v_i = R'(0)v_r où v donne une mesure dans un référentiel inertiel (xi, yi, zi) ; et où v_ r donne une mesure dans un référentiel (xr, yr, zr) avec (xi, yi, zi) référentiel où zi est vertical vers le haut et xi est horizontal vers le Nord magnétique local et yi est horizontal vers l'Ouest ; (xr, yr, zr) se déduit de (xi, yi, zi) par une rotation d'angle `F autour de zi. Comme bien illustré sur la figure 3, la mesure donnée par le magnétomètre 21 est décomposée sur la projection des axes mobiles (xb, yb, zb) en les coordonnées (mxb, myb, mzb). Ces valeurs correspondent à la projection sur le repère mobile du vecteur champ magnétique terrestre. Ces valeurs dépendent uniquement de la direction par rapport au Nord magnétique local dans laquelle la personne se penche et de l'angle d'inclinaison du torse. On définit un système (xr, yr, zr) lié à la personne dont l'axe xr est horizontal et dirigé vers l'avant de la personne et l'axe zr est vertical. Ainsi, à partir de cette mesure il est possible de déduire l'angle 0 avec le repère (xr, yr, zr) correspondant à la rotation du repère mobile (xb, yb, zb). 10 En pratique, on utilise le même modèle que celui décrit en référence à la figure 1 permettant d'estimer la matrice de rotation entre le repère mobile (xb, yb, zb) et le repère (xr, yr, zr). En revenant à la figure 4, grâce à la connaissance de l'angle 0, il est possible d'utiliser cette information pour séparer la composante gravitationnelle g de la composante due aux mouvements propres de l'objet . En effet, l'information angulaire absolue fournie par le magnétomètre 21 peut être utilisée pour prédire la composante gravitationnelle g de l'objet dans un repère mobile (xb, yb, zb) et ainsi par différence obtenir la composante due aux mouvements propres de l'objet selon la relation = y(m) û g . On est ainsi capable d'exprimer la composante due aux mouvements propres de l'objet dans le repère inertiel et ainsi d'accéder aux accélérations verticales et antéropostérieures (c'est-à-dire vers l'avant ou vers l'arrière) dues aux mouvements du torse. On the other hand, it is considered that the so-called roll rotation about the xb axis is zero or of predetermined known characteristics. The model of motion is then written: v_b [n] = R (0, yi) v_i = R '(0) v_r where v gives a measurement in an inertial reference frame (xi, yi, zi); where v_r gives a measure in a repository (xr, yr, zr) with (xi, yi, zi) referential where zi is vertical up and xi is horizontal towards the local magnetic north and yi is horizontal towards the west ; (xr, yr, zr) is deduced from (xi, yi, zi) by a rotation of angle `F around zi. As well illustrated in FIG. 3, the measurement given by the magnetometer 21 is decomposed on the projection of the moving axes (xb, yb, zb) into the coordinates (mxb, myb, mzb). These values correspond to the projection on the moving coordinate system of the terrestrial magnetic field vector. These values depend solely on the direction relative to the local magnetic north in which the person is leaning and the angle of inclination of the torso. We define a system (xr, yr, zr) linked to the person whose axis xr is horizontal and directed towards the front of the person and the axis zr is vertical. Thus, from this measurement it is possible to deduce the angle 0 with the reference (xr, yr, zr) corresponding to the rotation of the movable marker (xb, yb, zb). In practice, the same model as that described with reference to FIG. 1 used to estimate the rotation matrix between the movable reference (xb, yb, zb) and the reference (xr, yr, zr). Returning to FIG. 4, thanks to the knowledge of the angle θ, it is possible to use this information to separate the gravitational component g from the component due to the object's own movements. Indeed, the absolute angular information provided by the magnetometer 21 can be used to predict the gravitational component g of the object in a movable coordinate system (xb, yb, zb) and thus by difference obtain the component due to the own motions of the object according to the equation = y (m) û g. One is thus able to express the component due to the own movements of the object in the inertial frame and thus to have access to the vertical and anteroposterior accelerations (that is to say towards the front or towards the back) due to the movements of the torso.

On peut ainsi disposer d'une véritable estimation du mouvement du torse dans un référentiel (xr, yr, zr) qui peut être comparé à d'autres types de mouvements analogues. Grâce au procédé d'estimation de l'orientation d'un solide conforme à l'invention, il est possible de déterminer, à partir de la mesure réalisée par un capteur sensible uniquement au champ magnétique, la position angulaire d'un solide et ainsi, à partir de la mesure complémentaire réalisée par un capteur sensible à l'accélération, de connaître également le mouvement propre d'accélération du solide. On notera que par des techniques de double intégration connues, il est possible de remonter à partir de ces informations à la nature du déplacement et d'avoir une information précise sur son amplitude, c'est-à-dire vers le haut ou vers le bas, la hauteur du déplacement par rapport au sol, ... Cette information est particulièrement intéressante pour le cas de transferts assis vers debout ou debout vers assis d'une personne afin de caractériser ce mouvement. One can thus have a real estimate of the movement of the torso in a frame of reference (xr, yr, zr) which can be compared with other types of similar movements. With the method for estimating the orientation of a solid according to the invention, it is possible to determine, from the measurement made by a sensor sensitive only to the magnetic field, the angular position of a solid and thus from the complementary measurement made by an acceleration sensitive sensor, also to know the proper acceleration movement of the solid. It will be noted that by known double integration techniques it is possible to go back from this information to the nature of the displacement and to have precise information on its amplitude, that is to say upwards or downwards. low, the height of the displacement relative to the ground, ... This information is particularly interesting for the case of transfers sitting to standing or standing towards a person's seated in order to characterize this movement.

11 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits précédemment et de nombreuses modifications peuvent être apportée à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.Of course, the present invention is not limited to the embodiments described above and many modifications can be made to these examples without departing from the scope of the invention.

Claims

1. Method for estimating the orientation of a solid animated by a rotational movement in a non-horizontal, solid plane equipped with at least one sensor sensitive to changes of orientation, characterized in that it comprises a step of estimating at least one angle in the plane relative to a reference frame, from the measurements of said magnetic field sensitive sensor (11, 12; 21) having at least two sensitivity axes.

2. Estimation method according to claim 1, characterized in that said two sensitivity axes of the sensor (11, 12; 21) are in said plane.

3. Estimation method according to one of claims 1 or 2, characterized in that said plane is a vertical plane.

4. Estimation method according to one of claims 1 to 3, characterized in that said repository is a fixed reference.

5. Estimation method according to one of claims 1 to 3, characterized in that said reference is defined by an initial orientation of said sensor.

6. Estimation method according to one of claims 1 to 5, characterized in that it further comprises a step of determining the proper acceleration of the solid in the plane from the measurements of a sensor sensitive to the acceleration, the acceleration measured by said acceleration sensitive sensor being decomposed into a gravitational component obtained from the angle in the plane estimated at said estimating step and a kinematic component.

7. A method for estimating the relative orientation of two solids driven by a rotational movement in the same non-horizontal plane, each solid being equipped with a sensor sensitive to changes of orientation, characterized in that it comprises a step of estimating the orientation in the plane of a solid relative to the other solid, from the measurements of at least two magnetometers (11, 12) each having at least two axes of sensitivity each magnetometer (11 12) being respectively disposed on a solid.

8. An estimation method according to claim 7, characterized in that said two magnetometers (11, 12) are mounted in an initial position so that said at least two axes of sensitivity of said magnetometers are aligned in pairs.

9. Device for estimating the orientation of a solid animated by a rotational movement in a non-horizontal, solid plane equipped with at least one sensor sensitive to changes of orientation, characterized in that the sensor (11 , 12; 21) is a magnetic field sensitive sensor having at least two axes of sensitivity.

10. Estimation device according to claim 9, characterized in that it further comprises an acceleration sensor (22) of the movement of the solid.

11. Estimation device according to one of claims 9 or 10, characterized in that it is adapted to implement the estimation method according to one of claims 1 to 6.