EP3728996A1 - Dispositif de mesure d'au moins une vitesse de rotation d'une tête d'un utilisateur autour d'un axe - Google Patents

Dispositif de mesure d'au moins une vitesse de rotation d'une tête d'un utilisateur autour d'un axe

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EP3728996A1
EP3728996A1 EP18833982.4A EP18833982A EP3728996A1 EP 3728996 A1 EP3728996 A1 EP 3728996A1 EP 18833982 A EP18833982 A EP 18833982A EP 3728996 A1 EP3728996 A1 EP 3728996A1
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EP
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coil
head
user
axis
measuring device
Prior art date
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Application number
EP18833982.4A
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Inventor
Frédéric GUATTARI
Damien Emmanuel PONCEAU
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Exail SAS
Original Assignee
iXBlue SAS
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Publication date
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    • G02B2027/0187—Display position adjusting means not related to the information to be displayed slaved to motion of at least a part of the body of the user, e.g. head, eye

Definitions

  • the present invention generally relates to a device for measuring at least one rotational speed of a head about an axis.
  • It relates more particularly to such a device, comprising an optical fiber gyro.
  • augmented reality display for displaying, in a field of view of the user, information superimposed visually on its environment.
  • a helmet or glasses for display in "virtual reality” to display, in a field of view of the user, an image of a virtual environment in which the user would move. It also applies advantageously in a helmet or glasses for display in "mixed reality” for displaying, in the user's visual environment, computer images simulating the presence of three-dimensional objects.
  • US Pat. No. 4,213,185 discloses glasses comprising a gyroscope, for example a fiber optic gyroscope or a MEMS-type gyroscope (according to the acronym for "microelectromechanical System” or electromechanical microsystem). These glasses include a display device for displaying an image in "augmented reality”. The display device is configured to adjust the position of this image according to a movement of the glasses determined by the gyro.
  • the space available to accommodate the display device and the gyrometer is limited.
  • the gyrometer must therefore be small and if possible light. It must also have a high measurement sensitivity, to accurately measure a rotation, even slow, the head of the user.
  • the fiber coil thus obtained occupies a cylindrical volume whose height is comparable to the radius, because of the large number of turns of the coil.
  • one of the smaller ones comprises a fiber coil about 2 centimeters in diameter and 1 centimeter high.
  • the invention proposes a device for measuring at least one rotational speed of a user's head around a measurement axis, comprising:
  • an optical fiber gyroscope comprising at least one coil formed of an optical fiber wound in a ring several times around an axis of the coil to form several turns, the coil being centered on its axis, an average plane of the coil, parallel to said turns, being perpendicular to the axis of the coil, the coil axis being parallel to said measurement axis, the coil being fixed to the cap.
  • a plane tangent to said ellipsoid at a point situated at the intersection between the ellipsoid and the axis of the coil is less than 20 degrees.
  • the coil therefore extends substantially parallel to the plane tangent to the portion of the head of the user who is located vis-à-vis the coil.
  • This arrangement of the coil promotes a support of the coil on the head of the user, and thus improves the mechanical stability of the device. It allows in particular that the coil marries the head of the user, which leads to a mechanical stability of the optimal device.
  • This arrangement also makes it possible to increase an outer diameter of the fiber coil, which is interesting in terms of measurement sensitivity, without increasing the bulk of the device installed on the head of the user since the coil and the head of the user are superimposed, so to speak, to one another.
  • the outer diameter of said coil is greater than 5 centimeters, or even greater than 8 centimeters.
  • Such a fiber coil of large diameter, appears at first sight very bulky. But as the surface of a coil of this coil is very large, it is possible to reduce the number of turns of the coil, and therefore its height, while maintaining a high measurement sensitivity.
  • Using a coil of large external diameter thus allows, while maintaining a high measurement sensitivity, to give this coil a flat shape particularly favorable in terms of size and mechanical stability of the device. Indeed, because of its size, such a coil even better suits the shape of the user's head, making only slightly protruding from the head of the user or with respect to the cap.
  • its height is less than 10 millimeters, or even less than 5 millimeters.
  • the height of the coil is less than one-tenth of its outer diameter.
  • an internal diameter of the coil is greater than 4 centimeters.
  • the coil, shaped ring then has a wide opening central, diameter greater than 4 centimeters, which can pass to part of the cap or part of the head of the user, which further reduces the size of the device, and improve the mechanical stability .
  • cap designates an element or a set of elements shaped to fit at least in part said ellipsoid, capable of being applied to this ellipsoid and mechanically stable when applied thereto.
  • the cap thus marries the head of the user, at least in part, and is mechanically stable when applied to the user's head (even if it is held by a fastener such as a clamp, a jugular or elastic cord).
  • the cap is shaped to cover said ellipsoid so that at least a portion of the ellipsoid penetrates through said at least one coil;
  • said at least one coil delimits, alone or with one or more additional coils, an aperture adapted to be traversed by at least a portion of the user's head when said cap covers the head of the user;
  • an average diameter of said opening being greater than or equal to 10 centimeters
  • said at least one coil is arranged so that each point of a lower face, this one a coil is located at less than 2 centimeters from the head of the user, when said headdress caps the head of the user, the face bottom of said coil being the face of this coil which is closest to the head of the user when said cap covers the head of the user;
  • said at least one coil is integrated at least partially in the cap
  • the gyrometer comprises an additional coil formed of an additional optical fiber wound several times around an axis of the additional coil to form several turns, an average plane of the additional coil, parallel to said turns, being perpendicular to the axis of the coil; the additional coil; an additional angle, formed between:
  • the average plane of said at least one coil and the mean plane of said additional coil form a dihedral whose opening angle is greater than 90 degrees, said coils extending mainly on one and on the other of the two parts of this dihedron;
  • the axis of said at least one coil is perpendicular to the axis of said additional coil
  • the cap is shaped to cap the head of the user so that the average plane of said at least one coil, or the mean plane of said additional coil, forms, with the Frankfurt plane of the head of the user, an angle of inclination less than 20 degrees.
  • the gyrometer comprises an additional coil formed of an additional optical fiber wound several times around an axis of the additional coil to form several turns, an average plane of the additional coil, parallel to said turns, being perpendicular to the axis of the coil; the additional coil, an additional angle, formed between the mean plane of the additional coil, and an additional plane, tangent to said ellipsoid at a point at the intersection between the ellipsoid and the axis of the additional coil, being less than 20 degrees;
  • the cap is shaped to cap the head of the user so that the respective average planes of two coils, among said at least one coil, said additional coil and said additional coil, are perpendicular to the Frankfurt plane of the head of the user, and form with the sagittal plane of the user's head wedging angles of between 30 degrees and 60 degrees;
  • the shape or at least one dimension of said cap may be modified reversibly
  • the measuring device further comprises a calibration system, that is to say calibration of the gyrometer;
  • the calibration system comprises a display device and a control unit of the display device programmed to perform the following steps:
  • the measuring device further comprises an image capture device
  • control unit is programmed further for:
  • FIG. 1 to 3 shows schematically, in part, a measuring device according to a first embodiment
  • FIG. 4 shows schematically, in part, a measuring device according to a second embodiment
  • FIG. 5 schematically shows the main steps of a calibration process implemented in the measuring device of Figure 4;
  • FIG. 6 shows schematically, in part, a measuring device according to a third embodiment;
  • FIG. 7 to 9 show schematically, in part, a measuring device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 10 to 12 show schematically, in part, a measuring device according to a fifth embodiment.
  • Figures 1 to 11 show five embodiments of a device for measuring at least one rotational speed of a head 2 of a user around a measurement axis.
  • Each of these measuring devices comprises an optical fiber gyrometer comprising at least one coil formed of an optical fiber wound in a ring several times.
  • the gyroscope comprises a single fiber coil.
  • the main differences between these three embodiments relate to the nature of a cap that includes the device, or the positioning of the fiber coil relative to this cap.
  • the gyroscope comprises three fiber coils, which makes it possible to measure the rotational speeds of the head 2 of the user around three distinct measurement axes.
  • the main differences between these two embodiments relate to the positioning of the fiber coils relative to the cap of the measuring device.
  • each coil of the measuring device is located near the head of the user, when the device is in use position on the user's head).
  • the coil or coils of the measuring device are each arranged so that each point of a lower face of the coil in question is located less than 2 centimeters from the head of the user, when said headdress caps the head of the user.
  • the underside of the coil is the face of this coil which is closest to the user's head, when said cap covers the head of the user.
  • each coil is thus arranged so that each point of the lower face of said coil is located less than 2 centimeters from this ellipsoid, when said cap (12) 42, 62, 72) cap this ellipsoid.
  • the identical or corresponding elements are, as far as possible, identified by the same reference signs and are not necessarily described each time.
  • FIG. 1 partially represents the measuring device 10 according to the first embodiment of the invention, in use position on the head 2 of the user, viewed from the side (the head 2 of the user is seen from the side ).
  • This measuring device 10 comprises a cap, made in the form of a strip 12.
  • the strip 12 may comprise:
  • a semi-rigid external part for example of semi-rigid plastic material, intended to support a coil 13 of optical fiber of the gyrometer, and
  • an internal part to be applied against the head 2 of the user which is more flexible, for example made of foam, to adapt to the shape of the user's head.
  • This strip 12 generally has a ring shape, here in ellipse.
  • the smallest inner diameter of this ring is greater than or equal to 4 centimeters, preferably greater than or equal to 10 centimeters.
  • the strip 12 thus has a large central opening, of diameter at least greater than 4 centimeters (or even greater than 10 centimeters), which allows the strip 12 to be inserted on the user's head, in the manner of a greenhouse -head. A part of the head 2 of the user then passes through the ring formed by the band 12.
  • This ellipsoid 20 is for example the ellipsoidal surface which, on average, closely matches the surface of the head 2 of the user between the brow bone, the occiput, the left temple and the right temple.
  • the ellipsoid in question may correspond to a fixed template (independent of the user considered), the dimensions of which are representative of the average dimensions of an adult human skull (or possibly a human child skull).
  • the ellipsoid may for example have: a large diameter of between 15 and 25 centimeters, and two other diameters each between 10 and 20 centimeters.
  • the inner face of the strip 12 may be concave and / or inclined in the manner of a lateral truncated cone surface.
  • the thickness of the strip 12, perpendicular to its inner face, is for example between 1 and 5 millimeters, while its width, parallel to its inner face, may be for example between 0.5 and 3 centimeters.
  • the band 12 can be held on the head 2 by fastening means (not shown) such as a belt to pass under the chin (or chinstrap), or a hair clip.
  • fastening means such as a belt to pass under the chin (or chinstrap), or a hair clip.
  • the measuring device 10 also comprises a fiber optic gyroscope.
  • the coil 13 of the gyrometer is formed of an optical fiber wound in a ring several times around an axis of the coil z1 to form several turns.
  • the average plane of the coil P1 is parallel to these turns, and extends approximately halfway up the coil 13.
  • the axis of the coil z1 is perpendicular to the mean plane of the coil P1, and passes through the center of the coil C1 ( Figure 2).
  • the center of the coil C1 is the center of the circular or elliptical contour along which the fiber is wound.
  • the coil 13 extends all along the circumference of the strip 12.
  • the ring formed by the coil 13, and the ring formed by the strip 12 are thus almost merged here.
  • the coil 13 is fixed to the strip 12. It is for example applied to the outer surface 121 of the strip 12 (and fixed to this surface by gluing). Alternatively, the coil could also be integrated in the thickness of the strip.
  • the coil 13 is shown schematically in Figure 2, seen from above, and in section in Figure 3 (according to the sectional plane A-A marked in Figure 2).
  • the smallest internal diameter of the coil 13 is greater than or equal to 4 centimeters, preferably greater than or equal to 10 centimeters (in other words, a cylinder of 4 or even 10 centimeters in diameter could be inserted through the ring formed by the coil 13).
  • the coil thus has, as well as the strip 12, a large central opening, thanks to which the entire measuring device 10 can be plugged onto the head 2 of the user.
  • the coil 13 defines a wide opening, able to be traversed by at least a portion of the ellipsoid 20 (in practice, by at least a portion of the head 2 of the user), when the cap 12 caps this ellipsoid (in practice, when the cap 12 caps the head 2 of the user).
  • the opening in question is delimited here by a circular or elliptical inner edge of the coil, in this case by an inner face 131 of the coil.
  • the measuring device 10 defines a free space, surrounded by the fiber coil and the cap, large enough to receive at least a portion of the head of the user. Instead of being unused, the space surrounded by the fiber is thus usefully used to house a portion of the user's head, thereby reducing the overall size of the device when worn by the user.
  • the coil 13 has, on the side of its axis z1, the inner face 131 mentioned above, which surrounds this axis, and whose base is here an ellipse.
  • the small diameter Dintl of this ellipse corresponds to the internal diameter of the coil mentioned above ( Figure 2).
  • the small diameter Dintl of this ellipse may be equal to about 10 centimeters, the large diameter Dintl 'of this ellipse being equal to about 12 centimeters.
  • the coil also has an outer diameter Dextl greater than or equal to 5 centimeters, preferably greater than or equal to 11 centimeters.
  • the height h1 of the coil is also less than 5 millimeters.
  • the height h1 is the dimension presented externally by the coil 13, parallel to the axis of the coil z1.
  • the coil 13 can be integrated entirely in the cap, or at least be applied to the cap slightly protruding from it.
  • the cross section of the coil 13 (section perpendicular to the mean line, in ellipse, along which the coil extends) may be square, the side of this section, which then corresponds to the height h1 of the coil 13, being equal to about 2.5 millimeters.
  • the optical fiber of the coil has an outer diameter of 0.17 mm, 210 turns of this fiber can then be contained in the coil 13.
  • the small and large diameters Dintl and Dintl 'mentioned above are respectively 10 and 12 centimeters, the total area enclosed by the optical fiber is then about 2 square meters, which leads to sufficient measurement sensitivity in practice for many applications.
  • the coil 13 extends somewhat flat with respect to the portion of the head 2 located vis-à-vis the coil13.
  • the entire measuring device 10 has a shape adapted to that of the ellipsoid 20, and only slightly protrudes relative to the ellipsoid.
  • the measuring device 10 also comprises, in addition to the coil 13, optical and electronic components necessary for the operation of the gyrometer (not shown).
  • the gyro delivers a measurement signal proportional to the rotational speed of the coil 13 about its axis z1 and / or a signal representative of an angular position of the coil about its axis z1 (obtained by integration over time of the speed of rotation of the coil about its axis z1).
  • the measuring device 10 When it is installed on the head 2 of the user, the measuring device 10 thus makes it possible to measure a rotational speed of this head around a measurement axis which is parallel to the axis of the coil z1.
  • FIG. 4 partially represents the measuring device 40 according to the second embodiment of the invention, in use position on the head 2 of the user, viewed from the side (the head 2 of the user is seen from the side ).
  • the cap 42 of the measuring device 40 comprises an eyeglass frame 422 and a fixing strip 421 of this frame.
  • the spectacle frame 422 is shaped to conform to the part of the user's face 2 that surrounds his eyes (in particular the root and the wings of the nose).
  • the fastening strip 421 connects two branches of the spectacle frame 422 and is intended to pass behind the head 2.
  • the cap 42 generally has the shape of a ring, whose smallest internal diameter is greater than or equal to 10 centimeters. It can thus be pressed on the user's head. In the position of use, the cap 42 encloses the head 2 of the user, marrying the ellipsoid 20 representative of this head 2.
  • the fastening strip 421 is partially flexible and elastic, so that its shape and length adapt to the shape of the head of the user and his head circumference.
  • the fixation strip could be flexible but inextensible, and include adjustment means, such as a loop, to adjust the length of the perimeter of the cap to the cranial perimeter of the user.
  • the gyrometer of the measuring device 40 also comprises a coil 43 formed of an optical fiber wound in a ring several times around an axis of the coil z3 to form several turns.
  • the coil 43 extends all along the circumference of the cap 42, and therefore has an outer diameter greater than or equal to 10 centimeters.
  • the cross section of the coil 43 is square, with a side less than 5 millimeters.
  • the coil 43 is fixed to the cap 42.
  • the coil 43 is integral with the spectacle frame 422, but is not connected to the fastening strip over the entire length of the latter. With this arrangement, a deformation of the fastening strip (when it is adjusted to the user's head) only causes limited deformation of the coil 43.
  • the internal diameter of the coil 43 is large enough so that the coil can be plugged onto the head of the user.
  • the coil 43 defines an opening adapted to be traversed by at least a portion of the head of the user, when the cap 12 caps its head.
  • the opening in question is delimited here also by an inner edge, circular or elliptical, of the coil.
  • the average plane of the coil P4, and the axis of the coil z4 are defined in the same way as in the first embodiment described above.
  • the measuring device 40 also comprises, in addition to the coil 43, a set of optical and electronic components 44 necessary for the operation of the gyro.
  • the gyro delivers a measurement signal proportional to the speed of rotation of the coil 43 about its axis z4.
  • the measuring device 40 When the measuring device 40 is in use position on the head 2 of the user, the average plane of the coil P4 is approximately parallel to the Frankfurt plane PF relative to the head 2 of the user. In the position of use, the measuring device 40 thus makes it possible to measure a speed of rotation of the head 2 around a measurement axis, parallel to the axis of the coil z4 which is substantially perpendicular to the Frankfurt plane relative to the head of the user, and which passes for example by the first cervical vertebrae.
  • the Frankfurt plane PF is the plane passing through the lower orbital points 02 and 03 and the user's porion 01. (the porion being the point of the highest skull of the auditory canal, which corresponds to the tragedy of the ear).
  • the Frankfurt PF plane is approximately horizontal.
  • the glasses whose frame has been described above are equipped with a display device 450 for augmented reality, to display different elements and additional information so that they are superimposed on the environment of the user, or an image of that environment captured by a camera.
  • the camera is secured to the cap 42.
  • the display device 450 is controlled by an electronic control unit 451.
  • the measuring device 40 comprises a calibration system 45, for re-calibrating the gyrometer once the measuring device 40 is installed on the head of the user.
  • This calibration system 45 here comprises the display device 450 and the control unit 451.
  • the control unit 451 is programmed to implement a first calibration method described below, whose main steps are represented on Figure 5.
  • a symbol such as an arrow or a cross, is displayed at a first display position, by means of the display device 450.
  • This symbol is superimposed visually, for the user, with a remarkable point of the environment, fixed and easily recognizable visually.
  • the user turns his head relative to his environment. This rotation is performed in part at least around the measurement axis. Between the beginning and the end of this rotational movement, the user's head has rotated by a non-zero rotation angle (possibly a multiple of 360 degrees) around the measurement axis.
  • the user can for example, while standing, make one or more turns on itself around the vertical axis, then stop.
  • the user could achieve this rotational movement leaving his shoulders motionless and moving the top of his skull along an approximately horizontal circle, or along a closed curve, for example eight-shaped (this curve extending in an approximately horizontal plane).
  • the control unit determines a first angle of rotation cd of the head, by temporal integration of the measurement signal delivered by the gyro.
  • the first angle of rotation cd is exactly equal to the angle turned by the user's head, around the measurement axis, during the movement described above.
  • the control unit determines a second display position according to the first rotation angle a1.
  • the first position as the second display position are defined in a reference linked to the display device 40.
  • the second display position is obtained, from the first position, by a rotation of an angle -a1 around the measurement axis (the first and second positions are angularly separated from one another, around the measurement axis, by the rotation angle determined in step E2).
  • the symbol is then displayed, at the second display position.
  • step E5 the control unit determines a second corrective angle of rotation a1 ', by integrating the measurement signal delivered by the gyrometer over time, throughout the rotational movement performed by the user to restore the alignment of the symbol and the remarkable point.
  • the calibration coefficient of the gyrometer is corrected, as a function of the first rotation angle a1 and the second rotation angle a1 '.
  • This calibration coefficient is a multiplicative coefficient applied to a raw signal produced by the gyro to obtain the measurement signal delivered by the gyro.
  • the measurement signal has values equal to the rotational speed of the coil about its axis, measured by the gyro.
  • the calibration coefficient is, for example, corrected by multiplying it by a first correction coefficient Ccor1, equal to the sum of the first rotation angle a1 and the second rotation angle a1 ', divided by the first rotation angle a1:
  • Ccor1 (a1 + a1 ') / a1.
  • this first method may either be completed or resume in step E1 to further fine-tune the calibration coefficient of the gyrometer again.
  • the operations performed by the user are done at the request of the control unit 451.
  • the control unit controls for example the display device 450 to display messages such as "make a turn on yourself", or "is the symbol aligned with the target?", or "turn your head to align the symbol with the target”.
  • control unit 451 could be programmed to execute a second method of calibrating the gyrometer (not shown), which also makes it possible to calibrate the gyrometer (or to correct its calibration) once it is in place on the head of the user.
  • the control unit invites the user to rotate his head around the measurement axis to bring the symbol, initially aligned with the first remarkable point, in alignment with the second remarkable point.
  • An angle of rotation of the head, a2 is then determined by time integration of one of the measurement signals delivered by the gyro, during the time interval during which the user performs the movement just described.
  • the calibration coefficient of the gyrometer is then corrected according to the measured angle of rotation a2 and the reference angle aref.
  • control unit 451 could be programmed to carry out the steps of a third method of calibrating the gyrometer (not shown), which also makes it possible to calibrate the gyrometer once it is in place on the head of the gyro. 'user.
  • This third method is based on a processing of at least two images captured by the camera, respectively before and after a rotational movement of the head. It comprises the steps E1 'to E4' described below.
  • step E1 ' the control unit acquires a first image of the user's environment, captured by the camera.
  • step E2 the user rotates his head relative to his environment, as in step E2 described above.
  • the control unit determines an angle of rotation of the head, O3 G , by temporal integration of the measurement signal delivered by the gyro. This integration is performed for the time interval that begins after the capture of the first image, and ends with the capture of a second image.
  • step E3 ' the control unit acquires the second image of the user's environment, captured by the camera after the user has turned his head.
  • the driving unit determines, by processing the first and the second image, another angle of rotation of the head, a3c, used in a manner as a reference rotation angle.
  • the control unit corrects the calibration coefficient of the gyrometer, as a function of the rotation angle O3 G and the other rotation angle a3c.
  • Figure 6 partially shows the measuring device 60 according to the third embodiment of the invention, in use position on the head 2 of the user, seen from the side.
  • This measuring device 60 comprises a cap, made in the form of a shell 62 which matches the ellipsoid 20 representative of the head of the user.
  • this shell 62 covers the head from the top of the forehead to the occiput.
  • the measuring device 60 also comprises a gyroscope which comprises a coil 63, formed of an optical fiber wound several times in a ring around an axis of the coil z6 to form several turns.
  • a gyroscope which comprises a coil 63, formed of an optical fiber wound several times in a ring around an axis of the coil z6 to form several turns.
  • This coil 63 forms a circular ring. It has an external diameter Dext6 greater than or equal to 5 centimeters, or even greater than or equal to 11 centimeters, and a height h6 less than one tenth of the external diameter Dext6, and in any case less than 5 millimeters.
  • the coil 63 is applied to the outer surface of the shell 62 to which it is attached. Unlike the first and second embodiments described above, when this measuring device 60 is placed on the head of the user, the coil 63 does not surround the head 2 of the user.
  • the average plane of the coil P6, and the axis of the coil z6 are defined in the same way as for the first embodiment.
  • the coil 63 thus extends parallel to the portion of the head 2 of the user located vis-à-vis the coil. As illustrated in Figure 6, this allows the coil to bear, over its entire length, on the head of the user, thus making the measuring device extremely stable mechanically, and space-saving once installed on the head of the 'user.
  • the measuring device 60 also comprises, in addition to the coil 63, optical and electronic components necessary for the operation of the gyrometer (not shown).
  • FIG. 7 partially represents the measuring device 70 according to the fourth embodiment of the invention, in use position on the head 2 of the user, viewed in perspective, the user's head being viewed from three quarters .
  • Figure 8 corresponds substantially to the same view of the measuring device 70 as in Figure 7, but without the head of the user.
  • Figure 9 partially shows the measuring device 70, seen from the front with respect to the mean plane of a cap 72 of this device.
  • This cap 72 is made in the form of a spherical cap, which here is recessed at the top.
  • the inner face 722 of the cap which is inscribed on a sphere, at least partially matches the ellipsoid 20 representative of the head 2 of the user.
  • the diameter of the sphere on which the inner face 722 of the cap 72 is inscribed is such that the cap is positioned around the posterior fontanel when it is applied to the head (FIG. 7).
  • the cap 72 has, perpendicular to its inner face, a thickness of, for example, between 1 and 5 millimeters.
  • the measuring device 70 comprises three coils 73A, 73B and 73C, each formed of an optical fiber wound in a ring several times about an axis of the coil z7A, z7B, z7C.
  • Each of these coils 73A, 73B and 73C forms a circular ring, of external diameter Dext7 greater than or equal to 5 centimeters, or even greater than or equal to 11 centimeters, and a height h7 less than one tenth of the external diameter Dext7 and in any state less than 5 millimeters.
  • the respective axes of the three coils z7A, z7B and z7C are directed in three different directions.
  • these directions are not orthogonal two by two. For example, they can form two by two angles of 120 degrees.
  • each of these coils 73A, 73B, 73C is applied to the outer face 721 of the cap 72, to which the coil is fixed (for example by gluing).
  • Each coil is arranged so that its mean plane is inclined less than 20 degrees from the plane tangential to the ellipsoid at the point of intersection between the axis of the coil and the ellipsoid (for each coil, the mean plane of the coil and the axis of the coil are defined in the same way as for the first embodiment).
  • Each coil therefore extends approximately parallel to the portion of the ellipsoid 20 opposite the coil, whereby the set of coils conforms to the ellipsoid 20.
  • the measuring device 70 thus delimits, between the fiber coils, a free space E suitable for receiving at least a portion of the user's head (FIG. 8). Instead of being unused, the space surrounded by all the coils is thus usefully used to house part of the user's head.
  • the coils 73A, 73B and 73C together define an opening capable of being traversed by at least a portion of the head 2 of the user when the cap 72 caps its head, this opening being sufficiently wide for that.
  • This opening is delimited here by the outer periphery, trilobed, of the assembly constituted by the three coils 73A, 73B and 73C.
  • this opening is delimited by three portions of coils, each in the form of an arc of a circle, which extend from the crossover points between coils, at the periphery of the device 70.
  • the opening in question (of trilobal overall shape) has a mean diameter greater than 10 centimeters.
  • the coils 73A, 73B and 73C intersect in pairs. More precisely, the two coils of each pair of coils intersect at two points (at which they are in contact). By way of example, the coils 73A and 73B intersect at the points AB and AB 'identified in FIG. 9.
  • the respective average planes of the two coils P7A, P7B, P7C form a dihedron whose opening angle is greater than 90 degrees, or even greater than 110 degrees.
  • the two coils in question extend mainly, respectively on one and the other of the two sides of this dihedron.
  • the three coils P7A, P7B, P7C then form a kind of flattened three-sided pyramid with an apex angle greater than 90 degrees.
  • This configuration makes it possible to give the measuring device 70 an overall shape that best matches that of the head 2 of the user, even when the coils have a relatively small outer diameter, for example between 5 and 11 centimeters.
  • the centers of the coils are located here equidistant from each other.
  • the gyroscope comprises, in addition to the three coils 73A, 73B and 73C, a set of conventional optical and electronic components for its operation (not shown).
  • the gyro is thus able to determine three rotational speeds of the head, respectively around the axis of the first coil z7A, around the axis of the second coil z7B, and around the axis of the third coil z7C.
  • the gyrometer is further configured to determine, from these three speeds of rotation, rotation speeds of the user's head around three other axes of measurement, orthogonal two by two, one of these other measuring axes being for example perpendicular to the Frankfurt plane relative to the head of the user.
  • the gyro delivers three measurement signals, which have values equal to the three rotational speeds of the user's head respectively around these three orthogonal measurement axes.
  • the measuring device 70 may comprise a calibration system (not shown), comparable to that of the measuring device 40 of the second embodiment, making it possible to calibrate the gyrometer once the measuring device 70 is in place on the user's head.
  • This calibration system is more precisely configured to correct, if necessary, three gyrometer calibration coefficients associated respectively with the three orthogonal measurement axes mentioned above.
  • This calibration system is configured to execute one of the three calibration methods described above during the presentation of the second embodiment.
  • the calibration method in question can be executed successively three times, to correct respectively the three calibration coefficients of the gyrometer (associated with the three measurement axes).
  • the user is invited to rotate his head around the vertical axis (as described above for the second embodiment of the invention).
  • the control unit invites the user to rotate his head upwards or downwards around a horizontal axis, transverse to the head (for example approximately parallel to the axis passing through the two auditory ducts of the user), and no longer around a vertical axis.
  • control unit invites the user to tilt his head to the left or to the right, by rotating it about a horizontal axis, approximately orthogonal to the face of the user (instead of rotating it around a vertical axis).
  • FIG. 10 partially represents the measuring device 100 according to the fifth embodiment of the invention, in use position on the head 2 of the user, viewed in perspective, the user's head being viewed from three quarters .
  • Figures 11 and 12 partially represent the measuring device 100, respectively viewed from above and from the side relative to the user's head.
  • This measuring device 100 again includes a cap (which is not shown in the figures).
  • This cap is made for example in the form of a shell, which matches the ellipsoid 20 representative of the head of the user.
  • the cap is shaped to take a predetermined fixed position and orientation, relative to the head of the user, when it is placed on this head 2, as is the case for example for a bicycle or motorcycle helmet when fastened to a user's head.
  • the measuring device 100 comprises three coils 103A, 103B and 103C, each formed of an optical fiber wound in a ring several times about an axis of the coil z10A, z10B, z10C to form several turns.
  • Each of these coils 103A, 103B and 103C forms a circular ring, of external diameter greater than or equal to 5 centimeters, or even greater than or equal to 11 centimeters, and of height less than one-tenth of the external diameter and in any case lower at 5 millimeters.
  • the respective axes of the three coils z10A, z10B and z10C are orthogonal two by two.
  • the fact that the axes of the coils are orthogonal two by two improves the accuracy of measuring rotational speeds of the head around the horizontal measurement axes (z10B, z10C).
  • the fact that the coils are orthogonal two by two makes it possible to minimize the influence that a deformation of the cap, or that an initial misalignment between coils (here a lack of orthogonality), could have on the accuracy of the gyrometer. More precisely, since the coils are orthogonal two by two, a variation of the orientation of one of the axes of the coils (with respect to the other axes), of a small angle Q, causes only a measurement error. reduced, proportional to Q squared (variation of the second order with respect to the alignment error Q).
  • the coils 103A, 103B and 103C are attached to the cap.
  • each coil 103A, 103B and 103C is arranged so that its average plane is inclined less than 20 degrees from the plane tangential to the ellipsoid at the point of intersection between the coil axis and the ellipsoid (for each coil, the mean plane of the coil and the axis of the coil are defined in the same way as for the first embodiment).
  • a first of these coils, 103A is positioned with respect to the cap so that its mean plane P10A, together with the Frankfurt plane PF of the head 2 of the user, forms an inclination angle of less than 20 degrees, when the cap is placed on the user's head. As shown in the figures, the measuring device 100 is even shaped so that this angle of inclination is zero, the first coil 103a thus extending parallel to the Frankfurt plane PF.
  • the axis of the first coil, z10A passes approximately through the center of the user's head, and the average plane of this coil, P10A is located slightly above the top of the user's head ( Figure 11).
  • the second and third coils 103B and 103 are located respectively in the rear right and left rear part of the head 2, when the measuring device is in the position of use. Their respective average planes P10B and P10C are both perpendicular to the average plane of the first coil P10A.
  • the sagittal plane PS also called vertical median plane of the head, is the plane orthogonal to the plane of Frankfurt PF which contains the mediator of the segment connecting the respective centers of the two eyes.
  • the first and second calibration angles bB, bq are each between 30 degrees and 60 degrees. As shown in Figure 12, they are equal to about 45 degrees.
  • the three coils 103A, 103B and 103C of the gyrometer are inscribed here respectively on the three faces of a pyramid with three faces (orthogonal two by two).
  • the measuring device 100 delimits, between the coils 103A, 103B and 103C, a free space suitable for usefully receiving at least a portion of the user's head.
  • This free space is of approximately pyramidal shape (FIGS. 10 to 12), the apex of the corresponding pyramid being located in the vicinity of the posterior fontanelle when the measuring device 100 is in a position of use on the head 2 of the user.
  • the coils 103A, 103B and 103C together define a wide opening, able to be traversed by at least a portion of the head of the user when the cap of the device 100 caps his head .
  • This opening is delimited here by the outer periphery (that is to say the farthest from the center of the free space mentioned above), sort of trilobed, of the assembly constituted by the three coils 103A, 103B and 103C.
  • this opening is delimited by the three portions of coils, each in the form of a circular arc or an elliptical arc, and which each extend between two "junction" points of the coil in question.
  • the junction points of the coil considered are the two points of this coil closest to the other two coils of the device.
  • the aperture in question (of trilobal overall shape) has an average diameter greater than 10 centimeters.
  • the measuring device 100 may comprise a calibration system comparable to, or even identical to that of the fourth embodiment.
  • the cap of the measuring device can be in the form of a cap rather than in the form of goggles.
  • the cap may take the form of any type of cap, commercially available (cap, helmet, hat, headband, ...), compatible with the embodiment considered.
  • the first and third embodiments may, optionally, be equipped with a calibration system such as that fitted to the measuring device of the second embodiment.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure (70) d'au moins une vitesse de rotation d'une tête (2) d'un utilisateur autour d'un axe de mesure, comprenant : - une coiffe (72) conformée pour coiffer un ellipsoïde représentatif de la tête de l'utilisateur, - un gyromètre à fibre optique comprenant au moins une bobine (73A) formée d'une fibre optique enroulée plusieurs fois en anneau autour d'un axe de la bobine (z7A). Selon l'invention, un angle formé entre : - le plan moyen de la bobine, et - un plan tangent audit ellipsoïde en un point situé à l'intersection entre l'ellipsoïde et l'axe de la bobine, est inférieur à 20 degrés.

Description

Dispositif de mesure d’au moins une vitesse de rotation d’une tête d’un utilisateur autour d’un axe
DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale un dispositif de mesure d’au moins une vitesse de rotation d’une tête autour d’un axe.
Elle concerne plus particulièrement un tel dispositif, comprenant un gyromètre à fibre optique.
Elle s’applique de manière particulièrement intéressante dans un casque ou des lunettes pour affichage en « réalité augmentée » permettant d’afficher, dans un champ de vision de l’utilisateur, des informations se superposant visuellement à son environnement.
Elle s’applique aussi avantageusement dans un casque ou des lunettes pour affichage en « réalité virtuelle » permettant d’afficher, dans un champ de vision de l’utilisateur, une image d’un environnement virtuel dans lequel l’utilisateur se déplacerait. Elle s’applique aussi avantageusement dans un casque ou des lunettes pour affichage en « réalité mixte » permettant d’afficher, dans l’environnement visuel de l’utilisateur, des images de synthèse simulant la présence d’objets tridimensionnels.
Elle s’applique également, de manière intéressante, dans un dispositif de visée, ou dans une interface homme-machine perfectionnée tenant compte de l’orientation de la tête d’un utilisateur de l’interface.
Plus généralement, elle s’applique avantageusement au repérage de l’orientation de la tête d’un utilisateur.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
On connaît du document US 9213185 des lunettes comprenant un gyromètre, par exemple un gyromètre à fibre optique ou un gyromètre de type MEMS (selon l’acronyme anglo-saxon de «microelectromechanical System », ou microsystème électromécanique). Ces lunettes comprennent un dispositif d’affichage permettant d’afficher une image en « réalité augmentée ». Le dispositif d’affichage est configuré pour ajuster la position de cette image en fonction d’un mouvement des lunettes déterminé grâce au gyromètre.
Sur la monture de ces lunettes, l’espace disponible pour accueillir le dispositif d’affichage et le gyromètre est restreint. Dans ce système, le gyromètre doit donc être petit et si possible léger. Il doit aussi présenter une sensibilité de mesure élevée, pour pouvoir mesurer avec précision une rotation, même lente, de la tête de l’utilisateur.
En l’occurrence, pour miniaturiser un gyromètre à fibre optique, il est connu de réduire le diamètre de sa bobine de fibre. Conjointement, le nombre de spires de la bobine est augmenté pour que le gyromètre conserve une sensibilité de mesure élevée. En effet, cette sensibilité de mesure dépend directement de la surface enclose par la fibre optique, qui est égale à la surface délimitée par une spire de la bobine, multipliée par le nombre de spires de cette bobine.
La bobine de fibre ainsi obtenue, compacte et assez épaisse, occupe alors un volume cylindrique dont la hauteur est comparable au rayon, du fait du grand nombre de spires de la bobine. A titre d’exemple, parmi les gyromètres à fibre optique miniatures disponibles actuellement, l’un des plus petits comprend une bobine de fibre d’environ 2 centimètres de diamètre et de 1 centimètre de haut.
Malgré les dimensions réduites d’un tel gyromètre à fibre optique, le fait de le monter sur des lunettes nuit à l’équilibre des lunettes et les rendent nettement plus encombrantes.
OBJET DE L’INVENTION
Pour remédier aux inconvénients précités, l’invention propose un dispositif de mesure d’au moins une vitesse de rotation d’une tête d’un utilisateur autour d’un axe de mesure, comprenant :
- une coiffe conformée pour coiffer un ellipsoïde représentatif de la tête de l’utilisateur,
- un gyromètre à fibre optique comprenant au moins une bobine formée d’une fibre optique enroulée plusieurs fois en anneau autour d’un axe de la bobine pour former plusieurs spires, la bobine étant centrée sur son axe, un plan moyen de la bobine, parallèle auxdites spires, étant perpendiculaire à l’axe de la bobine, l’axe de bobine étant parallèle audit axe de mesure, la bobine étant fixée à la coiffe.
Selon l’invention, un angle formé entre :
- le plan moyen de la bobine, et
- un plan tangent audit ellipsoïde en un point situé à l’intersection entre l’ellipsoïde et l’axe de la bobine, est inférieur à 20 degrés.
Lorsque la coiffe est placée sur la tête de l’utilisateur, la bobine s’étend donc sensiblement parallèlement au plan tangent à la partie de la tête de l’utilisateur qui est située en vis-à-vis de la bobine.
Cette disposition de la bobine favorise un appui de la bobine sur la tête de l’utilisateur, et améliore donc la stabilité mécanique du dispositif. Elle permet en particulier que la bobine épouse la tête de l’utilisateur, ce qui conduit à une stabilité mécanique du dispositif optimale.
Cette disposition permet par ailleurs d’augmenter un diamètre externe de la bobine de fibre, ce qui est intéressant en termes de sensibilité de mesure, sans pour autant augmenter l’encombrement que présente le dispositif installé sur la tête de l’utilisateur puisque la bobine et la tête de l’utilisateur se superposent, en quelque sorte, l’une à l’autre.
Selon une caractéristique non limitative du dispositif conforme à l'invention, il est d’ailleurs prévu que le diamètre externe de ladite bobine soit supérieur à 5 centimètres, voire supérieur à 8 centimètres.
Une telle bobine de fibre, de grand diamètre, parait à première vue très encombrante. Mais comme la surface d'une spire de cette bobine est très étendue, il est possible de réduire le nombre de spires de la bobine, et donc sa hauteur, tout en conservant une sensibilité de mesure élevée.
Employer ainsi une bobine de grand diamètre externe permet donc, tout en conservant une sensibilité de mesure élevée, de donner à cette bobine une forme plate particulièrement favorable en termes d'encombrement et de stabilité mécanique du dispositif. En effet, du fait de ses dimensions, une telle bobine épouse encore mieux la forme de la tête de l'utilisateur, en ne faisant que faiblement saillie par rapport à la tête de l’utilisateur ou par rapport à la coiffe.
S'agissant de la forme de la bobine, il est d'ailleurs prévu de manière optionnelle que sa hauteur soit inférieure à 10 millimètres, voire inférieure à 5 millimètres.
Il est prévu aussi que la hauteur de la bobine soit inférieure à un dixième de son diamètre externe.
Selon une autre caractéristique, non limitative, du dispositif conforme à l'invention, un diamètre interne de la bobine est supérieur à 4 centimètres.
La bobine, en forme d'anneau, présente alors une large ouverture centrale, de diamètre supérieur à 4 centimètres, pouvant donner passage à une partie de la coiffe ou à une partie de la tête de l'utilisateur, ce qui permet de réduire encore l'encombrement du dispositif, et d'en améliorer la stabilité mécanique.
Il est noté que le terme « coiffe » désigne un élément ou un ensemble d’éléments conformé pour épouser au moins en partie ledit ellipsoïde, apte à être appliqué sur cet ellipsoïde et stable mécaniquement lorsqu’appliquée sur celui-ci. En pratique, la coiffe épouse donc la tête de l’utilisateur, au moins en partie, et est stable mécaniquement lorsqu’appliquée sur la tête de l’utilisateur (quitte à être maintenue par un organe de fixation tel qu’une pince, une jugulaire ou un cordon élastique).
D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du dispositif de mesure conforme à l’invention, prises séparément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- la coiffe est conformée pour coiffer ledit ellipsoïde de manière à ce qu’une partie au moins de l’ellipsoïde pénètre au travers de ladite au moins une bobine ;
- ladite au moins une bobine délimite, seule ou avec une ou plusieurs bobines additionnelles, une ouverture apte à être traversée par une partie au moins de la tête de l’utilisateur lorsque ladite coiffe coiffe la tête de l’utilisateur ;
- un diamètre moyen de ladite ouverture étant supérieur ou égal à 10 centimètres ;
- ladite au moins une bobine est agencée de sorte que chaque point d’une face inférieure ce cette une bobine est situé à moins de 2 centimètres de la tête de l’utilisateur, lorsque ladite coiffe coiffe la tête de l’utilisateur, la face inférieure de ladite bobine étant la face de cette bobine qui est la plus proche de la tête de l’utilisateur lorsque ladite coiffe coiffe la tête de l’utilisateur ;
- ladite au moins une bobine est intégrée au moins en partie dans la coiffe ;
- le gyromètre comprend une bobine additionnelle formée d’une fibre optique additionnelle enroulée plusieurs fois autour d’un axe de la bobine additionnelle pour former plusieurs spires, un plan moyen de la bobine additionnelle, parallèle auxdites spires, étant perpendiculaire à l’axe de la bobine additionnelle ; - un angle additionnel, formé entre :
- le plan moyen de la bobine additionnelle, et
- un plan additionnel, tangent audit ellipsoïde en un point situé à l’intersection entre l’ellipsoïde et l’axe de la bobine additionnelle,
est inférieur à 20 degrés.
- ladite au moins une bobine et ladite bobine additionnelle s'entrecroisent ;
- le plan moyen de ladite au moins une bobine et le plan moyen de ladite bobine additionnelle forment un dièdre dont l’angle d’ouverture est supérieur à 90 degrés, lesdites bobines s’étendant majoritairement, respectivement sur l’un et sur l’autre des deux pans de ce dièdre ;
- l’axe de ladite au moins une bobine est perpendiculaire à l’axe de ladite bobine additionnelle ;
- la coiffe est conformée pour coiffer la tête de l’utilisateur de manière à ce que le plan moyen de ladite au moins une bobine, ou le plan moyen de ladite bobine additionnelle, forme, avec le plan de Francfort de la tête de l’utilisateur, un angle d’inclinaison inférieur à 20 degrés.
- le gyromètre comprend une bobine supplémentaire formée d’une fibre optique supplémentaire enroulée plusieurs fois autour d’un axe de la bobine supplémentaire pour former plusieurs spires, un plan moyen de la bobine supplémentaire, parallèle auxdites spires, étant perpendiculaire à l’axe de la bobine supplémentaire, un angle supplémentaire, formé entre le plan moyen de la bobine supplémentaire, et un plan supplémentaire, tangent audit ellipsoïde en un point situé à l’intersection entre l’ellipsoïde et l’axe de la bobine supplémentaire, étant inférieur à 20 degrés ;
- l’axe de ladite au moins une bobine étant perpendiculaire à l’axe de la bobine supplémentaire ;
- la coiffe est conformée pour coiffer la tête de l’utilisateur de manière à ce que les plans moyens respectifs de deux bobines, parmi ladite au moins une bobine, ladite bobine additionnelle et ladite bobine supplémentaire, soient perpendiculaires au plan de Francfort de la tête de l’utilisateur, et forment avec le plan sagittal de la tête de l’utilisateur des angles de calage compris entre 30 degrés et 60 degrés ;
- la forme ou au moins une dimension de ladite coiffe peut être modifiée réversiblement ;
- le dispositif de mesure comprend en outre un système de calibration, c’est-à-dire d’étalonnage du gyromètre ;
- le système de calibration comprend un dispositif d’affichage et une unité de pilotage du dispositif d’affichage programmée pour exécuter les étapes suivantes :
- commander au dispositif d’affichage d’afficher d’un message invitant l’utilisateur à exécuter un mouvement de rotation de la tête,
- déterminer un angle de rotation de la tête, en intégrant au cours du temps un signal de mesure délivré par le gyromètre pendant le mouvement de rotation effectué par l'utilisateur,
- corriger un coefficient de calibration du gyromètre en fonction de l’angle de rotation précédemment déterminé ;
- le dispositif de mesure comprend en outre un dispositif de capture d’image ;
- l’unité de pilotage est programmée en outre pour :
- acquérir une première image et une deuxième image, capturées par le dispositif de capture d’image respectivement avant et après ledit mouvement de rotation de la tête,
- déterminer un autre angle de rotation par traitement de la première image et de la deuxième image, et pour
- corriger le coefficient de calibration du gyromètre en fonction en outre dudit autre angle de rotation.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN EXEMPLE DE RÉALISATION
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- les figures 1 à 3 représente schématiquement, en partie, un dispositif de mesure selon un premier mode de réalisation ;
- la figure 4 représente schématiquement, en partie, un dispositif de mesure selon un deuxième mode de réalisation ;
- la figure 5 représente schématiquement les principales étapes d’un procédé de calibration mis en œuvre dans le dispositif de mesure de la figure 4 ; - la figure 6 représente schématiquement, en partie, un dispositif de mesure selon un troisième mode de réalisation ;
- les figures 7 à 9 représentent schématiquement, en partie, un dispositif de mesure selon un quatrième mode de réalisation ; et
- les figures 10 à 12 représentent schématiquement, en partie, un dispositif de mesure selon un cinquième mode de réalisation.
Les figures 1 à 11 représentent cinq modes de réalisation d’un dispositif de mesure d’au moins une vitesse de rotation d’une tête 2 d’un utilisateur autour d’un axe de mesure.
Chacun de ces dispositifs de mesure comprend un gyromètre à fibre optique comprenant au moins une bobine formée d’une fibre optique enroulée plusieurs fois en anneau.
Dans les premier, deuxième, et troisième modes de réalisation, le gyromètre comprend une seule bobine de fibre. Les principales différences entre ces trois modes de réalisation concernent la nature d’une coiffe que comprend le dispositif, ou le positionnement de la bobine de fibre par rapport à cette coiffe.
Dans les quatrième et cinquième modes de réalisation, le gyromètre comprend trois bobines de fibre, ce qui permet de mesurer les vitesses de rotation de la tête 2 de l’utilisateur autour de trois axes de mesure distincts. Les principales différences entre ces deux modes de réalisation concernent le positionnement des bobines de fibre par rapport à la coiffe du dispositif de mesure.
Comme on peut le voir sur les figures 1 , 4, 6, 7 et 10 à 12, dans les différents modes de réalisation décrits ici, chaque bobine du dispositif de mesure est située à proximité de la tête de l’utilisateur, lorsque le dispositif est en position d’usage sur la tête de l’utilisateur). En l’occurrence la ou les bobines du dispositif de mesure sont agencées chacune de sorte que chaque point d’une face inférieure de la bobine considérée soit situé à moins de 2 centimètres de la tête de l’utilisateur, lorsque ladite coiffe coiffe la tête de l’utilisateur. Pour chaque bobine, la face inférieure de la bobine est la face de cette bobine qui est la plus proche de la tête de l’utilisateur, lorsque ladite coiffe coiffe la tête de l’utilisateur. Si l’on considère un ellipsoïde 20 représentatif de la tête de l’utilisateur, chaque bobine est ainsi agencée de sorte que chaque point de la face inférieure de ladite bobine soit situé à moins de 2 centimètres de cet ellipsoïde, lorsque ladite coiffe (12 ; 42 ; 62 ; 72) coiffe cet ellipsoïde. Dans ces différents modes de réalisation, les éléments identiques ou correspondants sont, autant que possible, repérés par les mêmes signes de référence et ne sont pas nécessairement décrit à chaque fois.
Premier mode de réalisation
La figure 1 représente partiellement le dispositif de mesure 10 selon le premier mode de réalisation de l’invention, en position d’usage sur la tête 2 de l’utilisateur, vu de côté (la tête 2 de l’utilisateur est vue de côté).
Ce dispositif de mesure 10 comprend une coiffe, réalisée sous la forme d’un bandeau 12. Le bandeau 12 peut comprendre :
- une partie externe semi-rigide (par exemple en matière plastique semi- rigide), destinée à supporter une bobine 13 de fibre optique du gyromètre, et
- une partie interne à appliquer contre la tête 2 de l’utilisateur, plus souple, par exemple en mousse, pour s’adapter à la forme de la tête de l’utilisateur.
Ce bandeau 12 présente globalement une forme d’anneau, ici en ellipse. Le diamètre interne le plus petit de cet anneau est supérieur ou égal à 4 centimètres, préférentiellement supérieur ou égal à 10 centimètres. Le bandeau 12 présente ainsi une large ouverture centrale, de diamètre au moins supérieur à 4 centimètres (voire supérieur à 10 centimètres), ce qui permet d’enficher le bandeau 12 sur la tête de l’utilisateur, à la manière d’un serre-tête. Une partie de la tête 2 de l’utilisateur passe alors à travers l’anneau formé par le bandeau 12.
La face interne du bandeau 12, destinée à venir au contact de la tête 2 de l’utilisateur, épouse l’ellipsoïde 20 représentatif de la tête 2 de l’utilisateur.
Cet ellipsoïde 20 est par exemple la surface ellipsoïdale qui, en moyenne, épouse au plus près la surface de la tête 2 de l’utilisateur comprise entre l’arcade sourcilière, l’occiput, la tempe gauche et la tempe droite.
De manière alternative, l’ellipsoïde en question peut correspondre à un gabarit fixe (indépendant de l’utilisateur considéré), dont les dimensions sont représentatives des dimensions moyennes d’un crâne humain adulte (ou éventuellement d’un crâne humain enfant). Dans ce cas, l’ellipsoïde peut par exemple avoir : un grand diamètre compris entre 15 et 25 centimètres, et deux autres diamètres compris chacun entre 10 et 20 centimètres.
Pour épouser cet ellipsoïde 20, la face interne du bandeau 12 peut être concave et/ou inclinée à la manière d’une surface latérale de tronc de cône. L’épaisseur du bandeau 12, perpendiculairement à sa face interne, est par exemple comprise entre 1 et 5 millimètres, tandis que sa largeur, parallèlement à sa face interne, peut être comprise par exemple entre 0,5 et 3 centimètres environ.
Le bandeau 12 peut être maintenu sur la tête 2 par des moyens de fixation (non représentés) tels qu’une courroie à passer sous le menton (ou jugulaire), ou une pince à cheveux.
Comme déjà indiqué, le dispositif de mesure 10 comprend également un gyromètre à fibre optique. La bobine 13 du gyromètre est formée d’une fibre optique enroulée plusieurs fois en anneau autour d’un axe de la bobine z1 pour former plusieurs spires.
Le plan moyen de la bobine P1 est parallèle à ces spires, et s’étend approximativement à mi-hauteur de la bobine 13. L’axe de la bobine z1 est perpendiculaire au plan moyen de la bobine P1 , et passe par le centre de la bobine C1 (figure 2). Le centre de la bobine C1 est le centre du contour circulaire ou elliptique le long duquel est enroulée la fibre.
La bobine 13 s’étend tout le long de la circonférence du bandeau 12. L’anneau formé par la bobine 13, et l’anneau formé par le bandeau 12 sont donc quasiment confondus, ici.
La bobine 13 est fixée au bandeau 12. Elle est par exemple appliquée sur la surface externe 121 du bandeau 12 (et fixée à cette surface par collage). En variante, la bobine pourrait aussi être intégrée dans l’épaisseur du bandeau.
La bobine 13 est représentée schématiquement sur la figure 2, vue de dessus, et en coupe sur la figure 3 (selon le plan de coupe A-A repéré sur la figure 2).
Le diamètre interne le plus petit de la bobine 13 est supérieur ou égal à 4 centimètres, préférentiellement supérieur ou égal à 10 centimètres (en d’autres termes, un cylindre de 4, voire 10 centimètres de diamètre pourrait être inséré à travers l’anneau formé par la bobine 13).
La bobine présente donc, de même que le bandeau 12, une large ouverture centrale, grâce à laquelle l’ensemble du dispositif de mesure 10 peut être enfiché sur la tête 2 de l’utilisateur. Autrement formulé, la bobine 13 délimite une ouverture large, apte à être traversée par une partie au moins de l’ellipsoïde 20 (en pratique, par une partie au moins de la tête 2 de l’utilisateur), lorsque la coiffe 12 coiffe cet ellipsoïde (en pratique, lorsque la coiffe 12 coiffe la tête 2 de l’utilisateur). L’ouverture en question est délimitée, ici, par un bord interne circulaire ou elliptique de la bobine, en l’occurrence par une face interne 131 de la bobine.
Le dispositif de mesure 10 délimite un espace libre, entouré par la bobine de fibre et par la coiffe, suffisamment grand pour recevoir une partie au moins de la tête de l’utilisateur. Au lieu d’être inutilisé, l’espace entouré par la fibre est ainsi employé utilement pour loger une partie de la tête de l’utilisateur, réduisant ainsi l’encombrement global du dispositif lorsqu’il est porté par l’utilisateur.
La bobine 13 présente, du côté de son axe z1 , la face interne 131 mentionnée ci-dessus, qui entoure cet axe, et dont la base est ici une ellipse. Le petit diamètre Dintl de cette ellipse correspond au diamètre interne de la bobine mentionné plus haut (figure 2). A titre d’exemple, le petit diamètre Dintl de cette ellipse peut être égal à 10 centimètres environ, le grand diamètre Dintl’ de cette ellipse étant quant à lui égal à 12 centimètres environ.
La bobine présente par ailleurs un diamètre externe Dextl supérieur ou égal à 5 centimètres, préférentiellement supérieur ou égal à 11 centimètres.
La surface d'une spire de cette bobine est alors très étendue, ce qui permet de réduire le nombre de spires de la bobine tout en conservant une sensibilité de mesure élevée. Réduire ce nombre de spires permet de réduire les dimensions d’une section droite de la bobine 13.
Dans le mode de réalisation décrit ici, la hauteur h1 de la bobine est d’ailleurs inférieure à 5 millimètres. La hauteur h1 est la dimension présentée extérieurement par la bobine 13, parallèlement à l’axe de la bobine z1.
Grâce à cette hauteur réduite, la bobine 13 peut être intégrée entièrement dans la coiffe, ou, tout au moins être appliquée sur la coiffe en ne faisant que faiblement saillie par rapport à celle-ci.
A titre d’exemple, la section droite de la bobine 13 (section perpendiculairement à la ligne moyenne, en ellipse, le long de laquelle s’étend la bobine) peut être carrée, le côté de cette section, qui correspond alors à la hauteur h1 de la bobine 13, étant égal à 2,5 millimètres environ. Lorsque la fibre optique de la bobine présente un diamètre extérieur de 0,17 mm, 210 spires de cette fibre peuvent alors être contenues dans la bobine 13. Lorsque les petit et grand diamètres Dintl et Dintl’ mentionnés plus haut valent respectivement 10 et 12 centimètres, la surface totale enclose par la fibre optique est alors de 2 mètres carrés environ, ce qui conduit à une sensibilité de mesure suffisante en pratique pour de nombreuses applications.
A titre de comparaison, pour obtenir une même surface enclose de 2 mètres carrés (et donc une même sensibilité), avec une bobine d’un diamètre moyen de 3 centimètres, une section carrée de 9 millimètres de côté devrait être employée, la bobine étant alors épaisse et encombrante.
On notera que, de par la conformation du bandeau 12 et de la bobine 13, la bobine 13 s’étend en quelque sorte à plat par rapport à la partie de la tête 2 située en vis-à-vis de la bobine13.
Plus précisément, un angle formé entre :
- le plan moyen de la bobine P1 , et
- un plan PT1 , tangent à l’ellipsoïde 20 que le bandeau 12 est conformée pour coiffer, en un point 11 situé à l’intersection entre l’ellipsoïde 20 et l’axe de la bobine z1 ,
est inférieur à 20 degrés.
Grâce à cette disposition, l’ensemble du dispositif de mesure 10 présente une forme adaptée à celle de l’ellipsoïde 20, et ne fait que légèrement saillie par rapport à l’ellipsoïde.
Le dispositif de mesure 10 comprend également, en plus de la bobine 13, des composants optiques et électroniques nécessaires au fonctionnement du gyromètre (non représentés).
Le gyromètre délivre un signal de mesure proportionnel à la vitesse de rotation de la bobine 13 autour de son axe z1 et/ou un signal représentatif d’une position angulaire de la bobine autour de son axe z1 (obtenu par intégration au cours du temps de la vitesse de rotation de la bobine autour de son axe z1 ).
Lorsqu’il est installé sur la tête 2 de l’utilisateur, le dispositif de mesure 10 permet donc de mesurer une vitesse de rotation de cette tête autour d’un axe de mesure qui est parallèle à l’axe de la bobine z1.
Deuxième mode de réalisation
La figure 4 représente partiellement le dispositif de mesure 40 selon le deuxième mode de réalisation de l’invention, en position d’usage sur la tête 2 de l’utilisateur, vu de côté (la tête 2 de l’utilisateur est vue de côté).
Dans ce mode de réalisation, la coiffe 42 du dispositif de mesure 40 comprend une monture de lunettes 422 et un bandeau de fixation 421 de cette monture.
La monture de lunettes 422 est conformée de manière à épouser la partie de la face de l’utilisateur 2 qui entoure ses yeux (en particulier la racine et les ailes du nez). Le bandeau de fixation 421 relie deux branches de la monture de lunettes 422 et est destiné à passer derrière la tête 2.
La coiffe 42 présente globalement la forme d’un anneau, dont le diamètre interne le plus petit est supérieur ou égal à 10 centimètres. Elle peut ainsi être enfoncée sur la tête de l’utilisateur. En position d’usage, la coiffe 42 enserre la tête 2 de l’utilisateur, en épousant l’ellipsoïde 20 représentatif de cette tête 2.
De préférence, le bandeau de fixation 421 est partiellement souple et élastique, pour que sa forme et sa longueur s’adaptent à la forme de la tête de l’utilisateur et à son périmètre crânien. En variante, le bandeau de fixation pourrait être flexible mais inextensible, et comprendre des moyens d’ajustement, tels qu’une boucle, pour ajuster la longueur du périmètre de la coiffe au périmètre crânien de l’utilisateur.
Le gyromètre du dispositif de mesure 40 comprend là encore une bobine 43 formée d’une fibre optique enroulée plusieurs fois en anneau autour d’un axe de la bobine z3 pour former plusieurs spires.
La bobine 43 s’étend tout le long de la circonférence de la coiffe 42, et présente donc un diamètre externe supérieur ou égal à 10 centimètres. La section droite de la bobine 43 est carrée, de côté inférieur à 5 millimètres. La bobine 43 est fixée à la coiffe 42. De préférence, la bobine 43 est solidaire de la monture de lunettes 422, mais n’est pas lié au bandeau de fixation sur toute la longueur de ce dernier. Grâce à cette disposition, une déformation du bandeau de fixation (lors de son ajustement à la tête de l’utilisateur) n’entraîne qu’une déformation limitée de la bobine 43.
Comme dans le premier mode de réalisation, le diamètre interne de la bobine 43 est donc suffisamment grand pour que la bobine puisse être enfichée sur la tête de l’utilisateur. Là encore, la bobine 43 délimite une ouverture apte à être traversée par une partie au moins de la tête de l’utilisateur, lorsque la coiffe 12 coiffe sa tête. L’ouverture en question est délimitée là aussi par un bord interne, circulaire ou elliptique, de la bobine.
De même que pour le premier mode de réalisation de l’invention, on notera que la conformation de la coiffe 42 et de la bobine 43 sont telles qu’un angle formé entre :
- le plan moyen de la bobine P4, et
- un plan PT4, tangent à l’ellipsoïde 20 en un point I4 situé à l’intersection entre l’ellipsoïde 20 et l’axe de la bobine z4,
est inférieur à 20 degrés.
Le plan moyen de la bobine P4, et l’axe de la bobine z4 sont définis de la même manière que dans le premier mode de réalisation décrit plus haut.
Le dispositif de mesure 40 comprend également, en plus de la bobine 43, un ensemble de composants optiques et électroniques 44 nécessaires au fonctionnement du gyromètre.
Le gyromètre délivre un signal de mesure proportionnel à la vitesse de rotation de la bobine 43 autour de son axe z4.
Lorsque le dispositif de mesure 40 est en position d'usage sur la tête 2 de l'utilisateur, le plan moyen de la bobine P4 est approximativement parallèle au plan de Francfort PF relatif à la tête 2 de l'utilisateur. En position d'usage, le dispositif de mesure 40 permet donc de mesurer une vitesse de rotation de la tête 2 autour d'un axe de mesure, parallèle à l’axe de la bobine z4 qui est sensiblement perpendiculaire au plan de Francfort relatif à la tête de l'utilisateur, et qui passe par exemple par les premières vertèbres cervicales.
Comme représenté sur la figure 4, et plus en détail sur la figure 10 (relative à une autre mode de réalisation), le plan de Francfort PF est le plan passant par les points orbitaires inférieurs 02 et 03 et le porion 01 de l'utilisateur (le porion étant le point du crâne le plus élevé du conduit auditif, qui correspond au tragion de l'oreille). Lorsque l’utilisateur est assis ou debout et qu'il regarde au loin vers l'horizon, le plan de Francfort PF est approximativement horizontal.
Les lunettes dont la monture a été décrite plus haut sont équipées d'un dispositif d'affichage 450 pour la réalité augmentée, permettant d'afficher différents éléments et informations complémentaires de manière à ce qu'ils se superposent à l'environnement de l'utilisateur, ou à une image de cet environnement capturée par une caméra. La caméra est solidaire de la coiffe 42.
Le dispositif d'affichage 450 est piloté par une unité de pilotage électronique, 451.
Dans ce deuxième mode de réalisation, même si la bobine 43 est partiellement découplée du bandeau de fixation 421 d’un point de vue mécanique, un ajustement du bandeau est susceptible d’entraîner une légère déformation de la bobine 43. Une telle déformation modifie l’aire de la surface enclose par la fibre et/ou l'orientation de l'axe de la bobine z4 par rapport au dispositif de mesure 40, et décalibre donc légèrement le gyromètre.
Pour remédier à ce problème, le dispositif de mesure 40 comprend un système de calibration 45, permettant de re-calibrer le gyromètre une fois que le dispositif de mesure 40 est installé sur la tête de l'utilisateur.
Ce système de calibration 45 comprend ici le dispositif d'affichage 450 et l'unité de pilotage 451. L'unité de pilotage 451 est programmée pour mettre en œuvre un premier procédé de calibration décrit ci-dessous, dont les principales étapes sont représentées sur la figure 5.
Au cours d'une première étape E1 , un symbole, tel qu'une flèche ou une croix, est affiché à une première position d'affichage, grâce au dispositif d'affichage 450. Ce symbole se superpose visuellement, pour l'utilisateur, avec un point remarquable de l'environnement, fixe et facilement repérable visuellement.
A l'étape suivante, E2, l'utilisateur fait tourner sa tête par rapport à son environnement. Cette rotation est effectuée en partie au moins autour de l’axe de mesure. Entre le début et la fin de ce mouvement de rotation, la tête de l’utilisateur a tourné d’un angle de rotation non nul (éventuellement multiple de 360 degrés) autour de l’axe de mesure.
Pour réaliser ce mouvement de rotation, l’utilisateur peut par exemple, en étant debout, faire un ou plusieurs tours sur lui-même autour de l'axe vertical, puis s'immobiliser.
En variante, l’utilisateur pourrait réaliser ce mouvement de rotation en laissant ses épaules immobiles et en déplaçant le sommet de son crâne le long d’un cercle approximativement horizontal, ou le long d’une courbe fermée, par exemple en forme huit (cette courbe s’étendant dans un plan approximativement horizontal).
Au cours de cette étape, l'unité de pilotage détermine un premier angle de rotation cd de la tête, par intégration temporelle du signal de mesure délivré par le gyromètre. Lorsque le gyromètre est parfaitement calibré, le premier angle de rotation cd est exactement égal à l'angle dont a tourné la tête de l'utilisateur, autour de l'axe de mesure, lors du mouvement décrit ci-dessus. A l'étape suivante E3, l'unité de pilotage détermine une deuxième position d'affichage en fonction du premier angle de rotation a1. La première position comme la deuxième position d'affichage sont définies dans un repère lié au dispositif d'affichage 40. La deuxième position d'affichage est obtenue, à partir de la première position, par une rotation d'un angle -a1 autour de l'axe de mesure (les première et deuxième positions sont séparées angulairement l'une de l'autre, autour de l'axe de mesure, par l'angle de rotation déterminé à l'étape E2).
Le symbole est ensuite affiché, à la deuxième position d'affichage.
Lorsque le gyromètre est parfaitement calibré, le symbole se superpose alors, à nouveau, avec le point remarquable de l'environnement mentionné plus haut. Si tel est le cas, l'utilisateur l'indique à l'unité de pilotage 451 , et ce premier procédé de calibration s'achève sans modifier le coefficient de calibration du gyromètre, à l'étape E4.
Lorsque la calibration du gyromètre n'est pas rigoureusement exacte, le symbole affiché ne se superpose pas exactement avec le point remarquable en question. L'utilisateur est alors invité, à l'étape E5, à tourner sa tête pour aligner le symbole avec le point remarquable (c'est-à-dire pour les superposer visuellement l'un à l'autre). Au cours de cette étape, l'unité de pilotage détermine un deuxième angle de rotation a1', correctif, en intégrant le signal de mesure délivré par le gyromètre au cours du temps, tout au long du mouvement de rotation effectué par l'utilisateur pour rétablir l'alignement du symbole et du point remarquable.
A l'étape suivante E6, le coefficient de calibration du gyromètre est corrigé, en fonction du premier angle de rotation a1 et du deuxième angle de rotation a1'. Ce coefficient de calibration est un coefficient multiplicatif appliqué à un signal brut produit par le gyromètre pour obtenir le signal de mesure délivré par le gyromètre. Le signal de mesure présente des valeurs égales à la vitesse de rotation de la bobine autour de son axe, mesurée par le gyromètre.
A l’étape E6, le coefficient de calibration est par exemple corrigé en le multipliant par un premier coefficient correctif Ccorl , égal à la somme du premier angle de rotation a1 et du deuxième angle de rotation a1', divisée par le premier angle de rotation a1 : Ccorl = (a1 + a1 ')/a1 .
Après l'étape E6, ce premier procédé peut soit s'achever, soit reprendre à l'étape E1 pour corriger encore plus finement, de manière itérative, le coefficient de calibration du gyromètre. Au cours de ce premier procédé de calibration, les opérations réalisées par l'utilisateur le sont à la demande de l'unité de pilotage 451. Pour cela, l'unité de pilotage commande par exemple au dispositif d'affichage 450 d'afficher des messages tels que "réaliser un tour sur vous-même", ou "le symbole est-il aligné avec la cible ?", ou encore " tourner votre tête pour aligner le symbole avec la cible".
En variante, l'unité de pilotage 451 pourrait être programmée pour exécuter un deuxième procédé de calibration du gyromètre (non représenté), permettant lui aussi de calibrer le gyromètre (ou de corriger sa calibration) une fois celui-ci en place sur la tête de l’utilisateur.
Au cours de ce deuxième procédé, deux points remarquables de l’environnement interviennent, au lieu d’un seul. Ces deux points sont séparés angulairement, par rapport au centre de la tête de l’utilisateur, d’un angle de référence aref, connu.
Au cours de ce deuxième procédé, l'unité de pilotage invite l'utilisateur à faire tourner sa tête autour de l’axe de mesure pour amener le symbole, aligné initialement avec le premier point remarquable, dans l’alignement du deuxième point remarquable. Un angle de rotation de la tête, a2, est alors déterminé par intégration temporelle de l’un des signaux de mesure délivré par le gyromètre, pendant l’intervalle temporel au cours duquel l’utilisateur exécute le mouvement qui vient d’être décrit.
Le coefficient de calibration du gyromètre est alors corrigé en fonction de l’angle de rotation a2 mesuré et de l’angle de référence aref. Pour cela, le coefficient de calibration est par exemple multiplié par un deuxième coefficient de correction Ccor2, égal à l’angle de référence aref divisé par l’angle de rotation a2 : Ccor2 = aref/a2 .
En variante encore, l'unité de pilotage 451 pourrait être programmée pour exécuter les étapes d’un troisième procédé de calibration du gyromètre (non représenté), permettant lui aussi de calibrer le gyromètre une fois celui-ci en place sur la tête de l’utilisateur.
Ce troisième procédé est basé sur un traitement d’au moins deux images capturées par la caméra, respectivement avant et après un mouvement de rotation de la tête. Il comprend les étapes E1’ à E4’ décrites ci-dessous.
A l’étape E1’, l’unité de pilotage acquiert une première image de l’environnement de l’utilisateur, capturée par la caméra.
Au cours de l’étape suivante, E2’, l’utilisateur fait tourner sa tête par rapport à son environnement, comme à l’étape E2 décrite plus haut. Au cours de cette étape, l'unité de pilotage détermine un angle de rotation de la tête, O3G, par intégration temporelle du signal de mesure délivré par le gyromètre. Cette intégration est réalisée pour l’intervalle temporel qui débute après la capture de la première image, et qui s’achève par la capture d’une deuxième image.
A l’étape, E3’, l’unité de pilotage acquiert la deuxième image de l’environnement de l’utilisateur, capturée par la caméra après que l’utilisateur ait fait tourner sa tête. L’unité de pilotage détermine alors, par traitement de la première et de la deuxième image, un autre angle de rotation de la tête, a3c, employé en quelque sorte comme un angle de rotation de référence.
A l’étape E4’ suivante, l’unité de pilotage corrige le coefficient de calibration du gyromètre, en fonction de l’angle de rotation O3G et de l’autre angle de rotation a3c- Pour cela, le coefficient de calibration est par exemple corrigé en le multipliant par un troisième coefficient correctif Ccor3, égal audit autre angle de rotation a3c, divisée par l’angle de rotation O3G : Ccor3=a3c/a3G.
Troisième mode de réalisation
La figure 6 représente partiellement le dispositif de mesure 60 selon le troisième mode de réalisation de l’invention, en position d’usage sur la tête 2 de l’utilisateur, vu de côté.
Ce dispositif de mesure 60 comprend une coiffe, réalisée sous la forme d’une coque 62 qui épouse l'ellipsoïde 20 représentatif de la tête de l'utilisateur. Ici, lorsque le dispositif de mesure 60 est placé sur la tête de l'utilisateur, cette coque 62 recouvre la tête depuis le haut du front jusqu'à l'occiput.
Le dispositif de mesure 60 comprend également un gyromètre qui comporte une bobine 63, formée d’une fibre optique enroulée plusieurs fois en anneau autour d’un axe de la bobine z6 pour former plusieurs spires.
Cette bobine 63 forme un anneau circulaire. Elle présente un diamètre externe Dext6 supérieur ou égal à 5 centimètres, voire même supérieur ou égal à 11 centimètres, et une hauteur h6 inférieure à un dixième du diamètre externe Dext6, et en tout état de cause inférieure à 5 millimètres.
La bobine 63 est appliquée sur la surface externe de la coque 62, à laquelle elle est fixée. A la différence des premier et deuxième modes de réalisation décrits plus haut, lorsque ce dispositif de mesure 60 est placé sur la tête de l'utilisateur, la bobine 63 n'entoure pas la tête 2 de l'utilisateur.
En revanche, comme précédemment, un angle formé entre :
- le plan moyen de la bobine P6, et
- un plan PT6, tangent à l’ellipsoïde 20 que la coque 12 est conformée pour coiffer, en un point I6 situé à l’intersection entre l’ellipsoïde 20 et l’axe de la bobine z6,
est inférieur à 20 degrés.
Le plan moyen de la bobine P6, et l'axe de la bobine z6 sont définis de la même manière que pour le premier mode de réalisation.
La bobine 63 s'étend ainsi parallèlement à la partie de la tête 2 de l'utilisateur située en vis-à-vis de la bobine. Comme illustré sur la figure 6, cela permet à la bobine de prendre appui, sur toute sa longueur, sur la tête de l'utilisateur, rendant ainsi le dispositif de mesure extrêmement stable mécaniquement, et peu encombrant une fois installé sur la tête de l'utilisateur.
Comme précédemment, Le dispositif de mesure 60 comprend également, en plus de la bobine 63, des composants optiques et électroniques nécessaires au fonctionnement du gyromètre (non représentés).
Quatrième mode de réalisation
La figure 7 représente partiellement le dispositif de mesure 70 selon le quatrième mode de réalisation de l’invention, en position d’usage sur la tête 2 de l’utilisateur, vu en perspective, la tête de l'utilisateur étant vue de trois quarts.
La figure 8 correspond sensiblement à la même vue du dispositif de mesure 70 que sur la figure 7, mais sans la tête de l'utilisateur.
La figure 9 représente partiellement le dispositif de mesure 70, vu de face par rapport au plan moyen d'une coiffe 72 de ce dispositif.
Cette coiffe 72 est réalisée sous la forme d'une calotte sphérique, qui, ici, est évidée au sommet.
La face interne 722 de la coiffe, qui s'inscrit sur une sphère, épouse au moins en partie l'ellipsoïde 20 représentatif de la tête 2 de l’utilisateur. Le diamètre de la sphère sur laquelle s'inscrit la face interne 722 de la coiffe 72 est tel que la coiffe vient se positionner autour de la fontanelle postérieure lorsque qu'elle est appliquée sur la tête (figure 7). La coiffe 72 présente, perpendiculairement à sa face interne, une épaisseur comprise par exemple entre 1 et 5 millimètres.
Le dispositif de mesure 70 comprend trois bobines 73A, 73B et 73C, chacune formée d’une fibre optique enroulée plusieurs fois en anneau autour d’un axe de la bobine z7A, z7B, z7C.
Chacune de ces bobines 73A, 73B et 73C forme un anneau circulaire, de diamètre externe Dext7 supérieur ou égal à 5 centimètres, voire même supérieur ou égal à 11 centimètres, et une hauteur h7 inférieure à un dixième du diamètre externe Dext7 et en tout état de cause inférieure à 5 millimètres.
Les axes respectifs des trois bobines z7A, z7B et z7C sont dirigés dans trois directions différentes. Dans ce mode de réalisation, ces directions ne sont pas orthogonales deux à deux. A titre d'exemple, elles peuvent former deux à deux des angles de 120 degrés.
Une partie de la circonférence de chacune de ces bobines 73A, 73B, 73C est appliquée sur la face externe 721 de la coiffe 72, à laquelle la bobine est fixée (par exemple par collage).
Chaque bobine est disposée de manière à ce que son plan moyen soit incliné de moins de 20 degrés par rapport au plan tangent à l'ellipsoïde au point d'intersection entre l'axe de la bobine et l'ellipsoïde (pour chaque bobine, le plan moyen de la bobine et l'axe de la bobine sont définis de la même manière que pour le premier mode de réalisation).
Chaque bobine s'étend donc approximativement parallèlement à la partie de l'ellipsoïde 20 situé en vis-à-vis de la bobine, grâce à quoi l'ensemble des bobines épouse l'ellipsoïde 20.
Le dispositif de mesure 70 délimite ainsi, entre les bobines de fibre, un espace libre E approprié pour recevoir une partie au moins de la tête de l’utilisateur (figure 8). Au lieu d’être inutilisé, l’espace entouré l'ensemble des bobines est ainsi employé utilement pour loger une partie de la tête de l’utilisateur.
Comme on peut le voir sur la figure 8, les bobines 73A, 73B et 73C délimitent ensemble une ouverture apte à être traversée par une partie au moins de la tête 2 de l’utilisateur lorsque la coiffe 72 coiffe sa tête, cette ouverture étant suffisamment large pour cela. Cette ouverture est délimitée ici par le pourtour externe, trilobé, de l’ensemble constitué par les trois bobines 73A, 73B et 73C. En l’occurrence, cette ouverture est délimitée par trois portions de bobines, chacune en forme d’arc de cercle, qui s’étendent à partir des points de croisement entre bobines, en périphérie du dispositif 70. L’ouverture en question (de forme globale trilobée) a un diamètre moyen supérieur à 10 centimètres.
Les bobines 73A, 73B et 73C s'entrecroisent deux à deux. Plus précisément, les deux bobines de chaque couple de bobines se croisent en deux points (au niveau desquels elles sont en contact). A titre d'exemple, les bobines 73A et 73B se croisent aux points AB et AB' repérés sur la figure 9.
Comme les bobines 73A, 73B et 73C s'entrecroisent, les surfaces qu'elles délimitent respectivement se superposent en partie les unes avec les autres. Cela permet de réduire la surface de la tête de l'utilisateur recouverte par le dispositif de mesure 70, tout en employant des bobines de grand diamètre.
De préférence, pour chaque couple de bobines, les plans moyens respectifs des deux bobines P7A, P7B, P7C forment un dièdre dont l’angle d’ouverture est supérieur à 90 degrés, voire supérieur à 110 degrés. Les deux bobines en question s’étendent majoritairement, respectivement sur l’un et sur l’autre des deux pans de ce dièdre.
Les trois bobines P7A, P7B, P7C forment alors une sorte de pyramide à trois faces aplatie, dont l’angle au sommet est supérieur à 90 degrés. Cette configuration permet de donner au dispositif de mesure 70 une forme d’ensemble qui épouse au mieux celle de la tête 2 de l’utilisateur, même lorsque les bobines présentent un diamètre externe relativement petit compris par exemple entre 5 et 11 centimètres.
Les centres des bobines sont situés ici à égale distance les uns des autres.
Le gyromètre comprend, outre les trois bobines 73A, 73B et 73C, un ensemble de composants optiques et électroniques conventionnels permettant son fonctionnement (non représentés).
Le gyromètre est ainsi apte à déterminer trois vitesses de rotation de la tête, respectivement autour de l'axe de la première bobine z7A, autour de l'axe de la deuxième bobine z7B, et autour de l'axe de la troisième bobine z7C.
Ici, le gyromètre est configuré en outre pour déterminer, à partir de ces trois vitesses de rotation, des vitesses de rotation de la tête de l'utilisateur autour de trois autres axes de mesure, orthogonaux deux à deux, l'un de ces autres axes de mesure étant par exemple perpendiculaire au plan de Francfort relatif à la tête de l'utilisateur. Le gyromètre délivre trois signaux de mesure, qui présentent des valeurs égales respectivement aux trois vitesses de rotation de la tête de l'utilisateur autour de ces trois axes de mesure orthogonaux.
Le dispositif de mesure 70 selon ce quatrième mode de réalisation peut comprendre un système de calibration (non représenté), comparable à celui du dispositif de mesure 40 du deuxième mode de réalisation, permettant de calibrer le gyromètre une fois que le dispositif de mesure 70 est en place sur la tête de l’utilisateur.
Ce système de calibration est configuré plus précisément pour corriger, si cela s'avère nécessaire, trois coefficients de calibration du gyromètre associés respectivement aux trois axes de mesure orthogonaux mentionnés plus haut.
Ce système de calibration est configuré pour exécuter l’un des trois procédés de calibration décrits plus haut lors de la présentation du deuxième mode de réalisation.
Le procédé de calibration en question peut être exécuté successivement trois fois, pour corriger respectivement les trois coefficients de calibration du gyromètre (associés aux trois axes de mesure).
Dans ce cas, lors d’une première exécution du procédé, l’utilisateur est invité à faire tourner sa tête autour de l’axe vertical (comme décrit plus haut pour le deuxième mode de réalisation de l’invention).
En revanche, lors d’une deuxième exécution du procédé, l'unité de pilotage invite l'utilisateur à faire pivoter sa tête vers le haut, ou vers bas, autour d'un axe horizontal, transverse par rapport à la tête (par exemple approximativement parallèle à l'axe passant par les deux conduits auditifs de l'utilisateur), et non plus autour d’un axe vertical.
Enfin, lors d’une troisième exécution du procédé de calibration, l'unité de pilotage invite l'utilisateur à incliner sa tête vers la gauche ou vers la droite, en la faisant tourner autour d'un axe horizontal, approximativement orthogonal à la face de l'utilisateur (au lieu de la faire tourner autour d’un axe vertical).
Cinquième mode de réalisation
La figure 10 représente partiellement le dispositif de mesure 100 selon le cinquième mode de réalisation de l’invention, en position d’usage sur la tête 2 de l’utilisateur, vu en perspective, la tête de l'utilisateur étant vue de trois quarts.
Les figures 11 et 12 représentent partiellement le dispositif de mesure 100, vu respectivement de dessus et de côté par rapport à la tête de l’utilisateur.
Ce dispositif de mesure 100 comprend là encore une coiffe (qui n'est pas représentée sur les figures).
Cette coiffe est réalisée par exemple sous la forme d'une coque, qui épouse l'ellipsoïde 20 représentatif de la tête de l'utilisateur.
Dans ce cinquième mode de réalisation, la coiffe est conformée pour prendre une position et une orientation fixes prédéterminées, par rapport à la tête de l’utilisateur, lorsqu’elle est placée sur cette tête 2, comme c’est le cas par exemple pour un casque de vélo ou de motocyclette lorsqu'il est assujetti sur la tête d'un utilisateur.
Le dispositif de mesure 100 comprend trois bobines 103A, 103B et 103C, chacune formée d’une fibre optique enroulée plusieurs fois en anneau autour d’un axe de la bobine z10A, z10B, z10C pour former plusieurs spires.
Chacune de ces bobines 103A, 103B et 103C forme un anneau circulaire, de diamètre externe supérieur ou égal à 5 centimètres, voire même supérieur ou égal à 11 centimètres, et de hauteur inférieure à un dixième du diamètre externe et en tout état de cause inférieure à 5 millimètres.
Les axes respectifs des trois bobines z10A, z10B et z10C sont orthogonaux deux à deux.
Par rapport au quatrième mode de réalisation, le fait que les axes des bobines soient orthogonaux deux à deux améliore la précision de mesure des vitesses de rotation de la tête autour des axes de mesure horizontaux (z10B, z10C).
Par ailleurs, le fait que les bobines soient orthogonales deux à deux permet de minimiser l’influence qu’une déformation de la coiffe, ou qu’un défaut d’alignement initial entre bobines (ici un défaut d’orthogonalité), pourrait avoir sur l’exactitude du gyromètre. Plus précisément, comme les bobines sont orthogonales deux à deux, une variation de l’orientation de l’un des axes des bobines (par rapport aux autres axes), d’un petit angle Q, n’entraîne qu’une erreur de mesure réduite, proportionnelle à Q au carré (variation du deuxième ordre par rapport à l’erreur d’alignement Q).
Les bobines 103A, 103B et 103C sont fixées à la coiffe.
De même que dans les autres modes de réalisation, chaque bobine 103A, 103B et 103C est disposée de manière à ce que son plan moyen soit incliné de moins de 20 degrés par rapport au plan tangent à l'ellipsoïde au point d'intersection entre l'axe de la bobine et l'ellipsoïde (pour chaque bobine, le plan moyen de la bobine et l'axe de la bobine sont définis de la même manière que pour le premier mode de réalisation).
Une première de ces bobines, 103A, est positionnée par rapport à la coiffe de manière que son plan moyen P10A, forme, avec le plan de Francfort PF de la tête 2 de l’utilisateur, un angle d’inclinaison inférieur à 20 degrés, lorsque la coiffe est placée sur la tête de l’utilisateur. Tel que représenté sur les figures, le dispositif de mesure 100 est même conformé pour que cet angle d’inclinaison soit nul, la première bobine 103a s’étendant ainsi parallèlement au plan de Francfort PF.
Lorsque le dispositif de mesure est en place sur la tête de l’utilisateur, l’axe de la première bobine, z10A, passe approximativement par le centre de la tête de l’utilisateur, et le plan moyen de cette bobine, P10A est situé légèrement au dessus du sommet de la tête de l’utilisateur (figure 11 ).
Les deuxième et troisième bobines 103B et 103 sont situées respectivement en partie arrière droite et arrière gauche de la tête 2, lorsque le dispositif de mesure est en position d’usage. Leurs plans moyens respectifs P10B et P10C sont tous deux perpendiculaires au plan moyen de la première bobine P10A.
Les plans moyens des deuxième et troisième bobines, P10B et P10C, forment respectivement un premier et un deuxième angle de calage, bB et bq, avec le plan sagittal PS de la tête de l’utilisateur (figure 12).
Le plan sagittal PS, appelé aussi plan médian vertical de la tête, est le plan orthogonal au plan de Francfort PF qui contient la médiatrice du segment reliant les centres respectifs des deux yeux.
Les premier et deuxième angles de calage bB, bq sont compris chacun entre 30 degrés et 60 degrés. Tels que représentés sur la figure 12, ils sont égaux à 45 degrés environ.
Les trois bobines 103A, 103B et 103C du gyromètre s’inscrivent ici respectivement sur les trois faces d’une pyramide à trois faces (orthogonales deux à deux).
De même que dans le quatrième mode de réalisation, le dispositif de mesure 100 délimite, entre les bobines 103A, 103B et 103C, un espace libre approprié pour recevoir utilement une partie au moins de la tête de l’utilisateur. Cet espace libre est de forme approximativement pyramidale (figures 10 à 12), le sommet de la pyramide correspondante étant situé au voisinage de la fontanelle postérieure lorsque le dispositif de mesure 100 est en position d’usage sur la tête 2 de l’utilisateur.
Comme on peut le voir sur les figures 10 à 12, les bobines 103A, 103B et 103C délimitent ensemble une ouverture large, apte à être traversée par une partie au moins de la tête de l’utilisateur lorsque la coiffe du dispositif 100 coiffe sa tête. Cette ouverture est délimitée ici par le pourtour externe (c’est-à-dire le plus éloigné du centre de l’espace libre mentionné ci-dessus), en quelque sorte trilobé, de l’ensemble constitué par les trois bobines 103A, 103B et 103C. En l’occurrence, cette ouverture est délimitée par les trois portions de bobines, chacune en forme d’arc de cercle ou d’arc d’ellipse, et qui s’étendent chacune entre deux points de « jonction » de la bobine considérée. Les points de jonction de la bobine considérée sont les deux points de cette bobine les plus proches des deux autres bobines du dispositif. L’ouverture en question (de forme globale trilobée) a un diamètre moyen supérieur à 10 centimètres.
Le dispositif de mesure 100 selon ce cinquième mode de réalisation peut comprendre un système de calibration comparable, voire même identique à celui du quatrième mode de réalisation.
Différentes variantes peuvent être apportées aux cinq modes de réalisation du dispositif de mesure qui viennent d’être décrits, en particulier en ce qui concerne la coiffe du dispositif de mesure. En effet, comme cela ressort de l’ensemble de la description, différentes coiffes peuvent être envisagées. Par exemple, dans le deuxième mode de réalisation, la coiffe pourrait être réalisée sous la forme d’une casquette plutôt que sous la forme de lunettes à bandeau de fixation. Plus généralement, la coiffe peut prendre la forme de tout type de coiffe, disponible commercialement (casquette, casque, chapeau, serre-tête, ...), compatible avec le mode de réalisation considéré.
Les premier et troisième modes de réalisation peuvent, de manière optionnelle, être équipés d’un système de calibration tel que celui équipant le dispositif de mesure du deuxième mode de réalisation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 60 ; 70 ; 100) d’au moins une vitesse de rotation d’une tête (2) d’un utilisateur autour d’un axe de mesure, comprenant :
- une coiffe (12 ; 42 ; 62 ; 72) conformée pour coiffer un ellipsoïde(20) représentatif de la tête (2) de l’utilisateur,
- un gyromètre à fibre optique comprenant au moins une bobine (13 ; 43 ; 63 ; 73A, 73B, 73C ; 103A, 103B, 103C) formée d’une fibre optique enroulée plusieurs fois en anneau autour d’un axe de la bobine (z1 ; z4 ; z6 ; z7A, z7B, z7C ; z10A, z10B, z10C) pour former plusieurs spires, la bobine étant centrée sur son axe, un plan moyen de la bobine (P1 ; P4 ; P6 ; P10A, P10B, P10C), parallèle auxdites spires, étant perpendiculaire à l’axe de la bobine, l’axe de bobine étant parallèle audit axe de mesure, la bobine étant fixée à la coiffe,
caractérisé en ce qu’un angle formé entre
- le plan moyen de la bobine (P1 ; P4 ; P6 ; P10A, P10B, P10C), et
- un plan (PT1 ; PT4 ; PT6) tangent audit ellipsoïde (20) en un point (11 ; I4 ; I6) situé à l’intersection entre l’ellipsoïde et l’axe de la bobine,
est inférieur à 20 degrés.
2. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 60 ; 70 ; 100) selon la revendication 1 , dans lequel un diamètre externe (Dextl ; Dext6 ; Dext7) de ladite au moins une bobine (13 ; 43 ; 63 ; 73A, 73B, 73C ; 103A, 103B, 103C) est supérieur à 5 centimètres.
3. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 60 ; 70 ; 100) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel une hauteur (h 1 , h4, h5, h7) de ladite au moins une bobine (13 ; 43 ; 63 ; 73A, 73B, 73C ; 103A, 103B, 103C) est inférieure à 5 millimètres.
4. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 60 ; 70 ; 100) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel une hauteur (h 1 , h4, h5, h7) de ladite au moins une bobine (13 ; 43 ; 63 ; 73A, 73B, 73C ; 103A, 103B, 103C) est inférieure à un dixième d’un diamètre externe (Dextl ; Dext6 ; Dext7) de ladite au moins une bobine.
5. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 60 ; 70 ; 100) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel un diamètre interne (Dintl ) de ladite au moins une bobine (13 ; 43 ; 63 ; 73A, 73B, 73C ; 103A, 103B, 103C) est supérieur à 4 centimètres.
6. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 70 ; 100) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la coiffe (12 ; 42 ; 62 ; 72) est conformée pour coiffer ledit ellipsoïde (20) de manière à ce qu’une partie au moins de l’ellipsoïde (20) pénètre au travers de ladite au moins une bobine (13 ; 43 ; 73A, 73B, 73C ; 103B, 103C).
7. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 70 ; 100) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel ladite au moins une bobine (13 ; 43 ; 73A, 73B, 73C ; 103A, 103B, 103C) délimite, seule ou avec une ou plusieurs bobines additionnelles (73A, 73B, 73C ; 103A, 103B, 103C), une ouverture apte à être traversée par une partie au moins de la tête (2) de l’utilisateur lorsque ladite coiffe (12 ; 42 ; 62 ; 72) coiffe la tête (2) de l’utilisateur, un diamètre moyen de ladite ouverture étant supérieur ou égal à 10 centimètres.
8. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 60 ; 70 ; 100) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel ladite au moins une bobine (13 ; 43 ; 63 ; 73A, 73B, 73C ; 103A, 103B, 103C) est agencée de sorte que chaque point d’une face inférieure de ladite bobine soit situé à moins de 2 centimètres de la tête (2) de l’utilisateur lorsque ladite coiffe (12 ; 42 ; 62 ; 72) coiffe la tête (2) de l’utilisateur, ladite face inférieure étant la face de ladite bobine la plus proche de la tête (2) de l’utilisateur, lorsque ladite coiffe (12 ; 42 ; 62 ; 72) coiffe de la tête (2) de l’utilisateur.
9. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 60 ; 70 ; 100) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel ladite au moins une bobine (13) est intégrée au moins en partie dans la coiffe (12).
10. Dispositif de mesure (70 ; 100) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel :
- le gyromètre comprend une bobine additionnelle (73A, 73B, 73C ;
103A, 103B, 103C) formée d’une fibre optique additionnelle enroulée plusieurs fois autour d’un axe de la bobine additionnelle (z7A, z7B, z7C ; z10A, z10B, z10C) pour former plusieurs spires, un plan moyen de la bobine additionnelle (P10A,
P10B, P10C), parallèle auxdites spires, étant perpendiculaire à l’axe de la bobine additionnelle, et dans lequel
- un angle additionnel, formé entre :
- le plan moyen de la bobine additionnelle (P10A, P10B, P10C), et
- un plan additionnel, tangent audit ellipsoïde (20) en un point situé à l’intersection entre l’ellipsoïde et l’axe de la bobine additionnelle (z7A, z7B, z7C ; z10A, z10B, z10C),
est inférieur à 20 degrés.
11. Dispositif de mesure (70) selon la revendication 10, dans lequel ladite au moins une bobine (73A, 73B, 73C) et ladite bobine additionnelle (73A, 73B, 73C) s'entrecroisent.
12. Dispositif de mesure (70) selon l’une des revendications 10 à 11 , dans lequel le plan moyen de ladite au moins une bobine (P7A, P7B, P7C) et le plan moyen de ladite bobine additionnelle (P7A, P7B, P7C) forment un dièdre dont l’angle d’ouverture est supérieur à 90 degrés, lesdites bobines s’étendant majoritairement, respectivement sur l’un et sur l’autre des deux pans de ce dièdre.
13. Dispositif de mesure (100) selon l’une des revendications 10 à 11 , dans lequel :
- l’axe de ladite au moins une bobine (z10A, z10B, z10C) est perpendiculaire à l’axe de ladite bobine additionnelle (z10A, z10B, z10C), et dans lequel
- la coiffe est conformée pour coiffer la tête (2) de l’utilisateur de manière à ce que le plan moyen de ladite au moins une bobine ou le plan moyen de ladite bobine additionnelle (P10A), forme, avec le plan de Francfort (PF) de la tête (2) de l’utilisateur, un angle d’inclinaison inférieur à 20 degrés.
14. Dispositif de mesure (100) selon la revendication 13, dans lequel :
- le gyromètre comprend une bobine supplémentaire (103A, 103B, 103C) formée d’une fibre optique supplémentaire enroulée plusieurs fois autour d’un axe de la bobine supplémentaire (z10A, z10B, z10C) pour former plusieurs spires, un plan moyen de la bobine supplémentaire (P10A, P10B, P10C), parallèle auxdites spires, étant perpendiculaire à l’axe de la bobine supplémentaire, un angle supplémentaire, formé entre le plan moyen de la bobine supplémentaire (P10A, P10B, P10C), et un plan supplémentaire, tangent audit ellipsoïde (20) en un point situé à l’intersection entre l’ellipsoïde et l’axe de la bobine supplémentaire (z10A, z10B, z10C), étant inférieur à 20 degrés,
- l’axe de ladite au moins une bobine (z10A, z10B, z10C) étant perpendiculaire à l’axe de la bobine supplémentaire (z10A, z10B, z10C), et dans lequel
- la coiffe est conformée pour coiffer la tête (2) de l’utilisateur de manière à ce que les plans moyens respectifs de deux bobines (P10B, P10C), parmi ladite au moins une bobine, ladite bobine additionnelle et ladite bobine supplémentaire, soient perpendiculaires au plan de Francfort (PF) de la tête de l’utilisateur, et forment avec le plan sagittal (PS) de la tête de l’utilisateur des angles de calage (bB, bq) compris entre 30 degrés et 60 degrés.
15. Dispositif de mesure (40) selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel la forme ou au moins une dimension de ladite coiffe (42) peut être modifiée réversiblement, élastiquement.
16. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 60 ; 70 ; 100) selon l'une des revendications 1 à 15, comprenant en outre un système de calibration (45) du gyromètre.
17. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 60 ; 70 ; 100) selon la revendication
16, dans lequel le système de calibration (45) comprend un dispositif d’affichage (450) et une unité de pilotage (450) du dispositif d’affichage programmée pour exécuter les étapes suivantes :
- commander au dispositif d’affichage (450) d’afficher d’un message invitant l’utilisateur à exécuter un mouvement de rotation de la tête,
- déterminer un angle de rotation (a1 , a1’; a2 ; O3G) de la tête, en intégrant au cours du temps un signal de mesure délivré par le gyromètre pendant le mouvement de rotation effectué par l'utilisateur,
- corriger un coefficient de calibration du gyromètre en fonction de l’angle de rotation (a1 , a1’ ; a2 ; O3G) précédemment déterminé.
18. Dispositif de mesure (10 ; 40 ; 60 ; 70 ; 100) selon la revendication
17, comprenant en outre un dispositif de capture d’image, et dans lequel l’unité de pilotage (450) est programmée en outre pour :
- acquérir une première image et une deuxième image, capturées par le dispositif de capture d’image respectivement avant et après ledit mouvement de rotation de la tête,
- déterminer un autre angle de rotation (O3G) par traitement de la première image et de la deuxième image, et pour
- corriger le coefficient de calibration du gyromètre en fonction en outre dudit autre angle de rotation (Q3G).
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