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ESSAI PRÉSENTÉ À L’UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COMME EXIGENCE PARTIELLE D

ESSAI PRÉSENTÉ À L’UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN INGÉNIERIE par Jérémy Peyratout Conception, réalisation et mise en œuvre d’un calcul de risque de chute en temps réel dans un micro-logiciel embarqué dans une semelle intelligente Québec, Canada © [Jérémy,Peyratout] , [Novembre 2017] i RÉSUMÉ Mon projet de recherche consiste à développer, sur une semelle instrumenté, une reconnaissance de la marche et un calcul du risque lié à celle-ci qui soit fiable. Pour développer une reconnaissance fiable, il a fallu s’appuyer sur la littérature déjà existante mais aussi développer des moyens de vérifications des procédés mis en place. Pour cela, il a fallu créer un système embarqué que l’on peut diviser en plusieurs étapes : 1) définition d’une fenêtre d’analyse 2) extraction des signaux des capteurs. 3) détection de la marche 4) traitement des signaux pendant l’activité 5) calcul du risque lié à la marche 6) exportation des résultats obtenus pour en faire la vérification. Pour la première étape, il est important de délimiter une fenêtre pouvant contenir l’activité à détecter, la fenêtre d’analyse étant en corrélation avec le temps, il faut la définir suffisamment grande pour que le début et la fin de l’activité soit dans cette fenêtre mais il est aussi important de ne pas la prendre trop grande car, utilisant de la technologie embarqué, les ressources disponibles ne sont pas « infinies » comme sur un ordinateur. À la seconde étape, l’acquisition des signaux consiste à mesurer les mouvements de l’opérateur à l’aide d’un instrument de mesure non-invasif, non-intrusif capable de fonctionner dans son milieu de travail in-situ. La troisième étape consiste, à l’aide de la littérature, à définir ce qu’est un pas traduisant la marche en utilisant les capteurs présents dans la semelle. Ainsi on peut définir ce qu’est un pas et délimiter un segment de notre fenêtre sur lequel nous ferons l’analyse du risque. Une fois le segment de données extrait à l’aide de la détection de la marche, des caractéristiques sont extraites sur les signaux relevés afin de permettre de diminuer le nombre de données à traiter ainsi que de permettre de créer plus facilement une distinction entre la marche et les autres activités. En cinquième étape, nous calculons le risque à l’aide des caractéristiques extraites, ce modèle de calcul est calqué sur un modèle déjà existant très fiable et pourtant très simpliste basé sur un modèle statistique. Pour la dernière étape, les données obtenues sont transférés vers un ordinateur afin de faire un traitement sur Matlab des résultats obtenus, à la fois sur le calcul des caractéristiques mais aussi sur le calcul du risque. Une fois la comparaison effectuée, le calcul de la déviation de l’écart mesuré avec les valeurs attendues donne des résultats de l’ordre de 10−7% pour les résultats avec l’écart le plus grand. Dans les meilleurs cas, la précision atteinte est de 100%, tout particulièrement pour le calcul du risque qui est le résultat le plus intéressant à étudier. Ces résultats n’impliquent pas que le risque est reconnu dans 100% des situations mais plutôt que les résultats des calculs sont totalement fiables. Ainsi, la semelle mis en place dispose des meilleurs outils pour atteindre les résultats escomptés dans la détection des autres activités. ii Table des matières RÉSUMÉ ............................................................................................................................... i Table des matières .............................................................................................................. ii LISTE DES TABLEAUX ...................................................................................................... iii LISTE DES FIGURES ......................................................................................................... iv LISTE DES ABRÉVIATIONS ............................................................................................... v REMERCIEMENTS ............................................................................................................ vi INTRODUCTION ................................................................................................................ 1 Contexte .............................................................................................................................. 1 Objectifs .............................................................................................................................. 1 Problématique ..................................................................................................................... 2 Méthodologie....................................................................................................................... 2 ANALYSE DE LA MARCHE ............................................................................................... 3 Différentes étapes de la marche ......................................................................................... 3 Pose du pied (stance) .................................................................................................................................. 4 Balancement du pied (swing) ........................................................................................................................ 4 Aperçu du système ...................................................................................................................................... 5 Conclusion .......................................................................................................................... 5 REVUE DE LA LITTÉRATURE........................................................................................... 6 Introduction ......................................................................................................................... 6 WBAN ................................................................................................................................. 6 Composition ................................................................................................................................................ 6 Architecture de communication ..................................................................................................................... 6 Technologies existantes ..................................................................................................... 7 Reconnaissance d’activités ............................................................................................................................ 7 Domaine médical ......................................................................................................................................... 7 Domaine du travail ....................................................................................................................................... 9 Conclusion .......................................................................................................................... 9 TECHNOLOGIE MISE EN PLACE SUR LA SEMELLE ................................................... 10 Technologie de la semelle ................................................................................................ 10 Wake On Motion ........................................................................................................................................ 10 Flux de données ........................................................................................................................................ 10 Architecture ............................................................................................................................................... 11 Liste des caractéristiques ................................................................................................. 21 Caractéristiques à fournir............................................................................................................................ 22 Mise en place des caractéristiques ................................................................................... 23 Diagnostic et tests de mise en œuvre .............................................................................. 24 Méthode de développement des tests internes............................................................................................. 24 Caractéristiques à valider sur l’électronique ................................................................................................. 24 Caractéristiques des Force Sensitive Resistor (FSR) ...................................................................................... 32 Caractéristiques à valider sur la semelle .......................................................................... 40 Reconnaissance du pas pour la marche .......................................................................... 43 Calcul du risque ................................................................................................................ 47 Conclusion ........................................................................................................................ 49 BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................. 52 Annexe .............................................................................................................................. 54 Calcul de la compensation sur le magnétomètre.............................................................. 54 Axes de l’IMU ............................................................................................................................................ 54 Calcul du pitch et du roll à partir de l’accéléromètre ..................................................................................... 55 Calcul du yaw à partir du magnétomètre, du pitch et du roll ......................................................................... 56 iii LISTE DES TABLEAUX Tableau 1. Liste des pins de sortie et signification (ESPWROOM32) ....................................... 14 Tableau 2. Pins MPU9250 .................................................................................................... 15 Tableau 3. Données sur la moyenne des longueurs de foulées ...................................... 42 Tableau 4. Données sur la déviation standard de la longueur de foulée ......................... 42 Tableau 5. Données sur le coefficient de variation de la longueur de foulée .............................. 43 iv LISTE DES FIGURES Figure 1. Caractérisation des étapes de la marche ..................................................................... 3 Figure 2. Caractérisation des sous-étapes de la marche .............................................................. 3 Figure 3. Segmentation des données ...................................................................................... 11 Figure 4. Architecture autour de l’ESP8266 ........................................................................... 12 Figure 5. Fonctionnement de l'ESPWROOM32 ...................................................................... 12 Figure 6. Montage de FSR en parallèle .................................................................................. 16 Figure 7. Machine d'états ESP8266 ....................................................................................... 17 Figure 8. Diagramme d'interruption temporisateur .................................................................. 18 Figure 9. Diagramme de l’utilisation de l’interruption Wake On Motion .................................. 19 Figure 10. Diagramme de l’interruption pour l'historique des pas ............................................. 19 Figure 11. Description de la mémoire flash ............................................................................ 20 Figure 12. Diagramme de fonctionnement du serveur Bluetooth .............................................. 21 Figure 13. Moyenne de l'accélération .................................................................................... 26 Figure 14. Écart de la variance de l'accélération ..................................................................... 26 Figure 15. Déviation de la variance de l'accélération ............................................................... 27 Figure 16. Déviation de la variance de l'accélération ............................................................... 28 Figure 17. Écart sur le Skewness de l'accélération .................................................................. 28 Figure 18. Déviation sur le Skewness de l'accélération ............................................................ 29 Figure 19. Écart de la moyenne de la résultante ...................................................................... 30 Figure 20. Écart de la variance de la résultante de l'accélération ............................................... 31 Figure 21. Disposition des FSR ............................................................................................. 32 Figure 22. Écart de la moyenne de Centre de pression ............................................................. 33 Figure 23. Déviation de la moyenne du centre de pression....................................................... 34 Figure 24. Écart des mesures de la variance du centre de pression ............................................ 35 Figure 25. Déviation des résultats de la variance du centre de pression ..................................... 35 Figure 26. Comparaison des taux de déviation Matlab/ESP32 ................................................. 36 Figure 27. Déviation du taux alpha ........................................................................................ 37 Figure 28. Comparaison des moyennes de vitesse du centre de pression ................................... 38 Figure 29. Déviation des valeurs calculées de la moyenne de la vitesse du centre de pression ..... 38 Figure 30. Facteur Beta ........................................................................................................ 39 Figure 31. Déviation sur le calcul de la longueur de foulée ...................................................... 41 Figure 32. Pose du talon (COPy < 0.85% (-dy)) ..................................................................... 44 Figure 33. Pose du pied à plat (COPy ~= 0) ........................................................................... 45 Figure 34. Nombre de pas durant les expérimentations ............................................................ 46 Figure 35. . Risque de chute lié à la marche lors d’essais ......................................................... 48 Figure 36. Image d'une expérimentation (TUG) ...................................................................... 49 Figure 37. Orientation du MPU9250 ..................................................................................... 54 v LISTE DES ABRÉVIATIONS Abréviation Signification Traduction IMU Inertial Motion Unit Centrale inertielle FSR Force Sensitive Resistor Capteur de force résistif BIST Build In Self Test Auto test incorporé WBAN Wireless Body Area Network réseau corporel sans fil TMS Trouble Musculo-Squelettiques WOM Wake On Motion Réveil sur activité FOTA Firmware Over The Air Update à distance (sans fil) TCP Transmission Control Protocol Protocole de transmission contrôlé ADC Analogic to Digital Converter convertisseur analogique numérique TUG Timed Up and Go Test chronométré du lever de chaise RTOS Real Time Operating System Système d'opérateur temps réel COP Center Of Pressure Centre de pression vi REMERCIEMENTS Je tiens à remercier chaleureusement le professeur Martin Otis pour m’avoir offert cette opportunité de travailler au Laboratoire d’Automatisme, d’Interaction 3D et Multimodale Intelligente (LAIMI). De plus son soutien et ses conseils m’ont aidé énormément à progresser dans le domaine de l’électronique embarqué dans lequel j’aimerais faire carrière. Je tiens aussi à le remercier pour son aide et sa compréhension dans mes difficultés avec les démarches administratives. Je tiens aussi à souligner que son enthousiasme à l’égard du projet m’a poussé à m’investir pleinement. Je tiens aussi à remercier mes collègues de travail pour leur collaboration et le partage de leur expérience professionnelle. J’aimerais remercier tout particulièrement Julien Vandewynckel qui m’a énormément appris sur la programmation objet qui m’a été très utile au cours de ce projet, de plus, son expérience dans le domaine professionnel m’a aidé à surmonter des étapes que je ne pensais pas arriver à franchir seul. Je remercie également mes autres uploads/Science et Technologie/conception-realisation-et-mise-en-oeuvre-dun-calcul-de-risque-de-chute-en-temps-reel.pdf