L’orientation d’un objet est sa position angulaire dans l’espace par rapport à un référentiel, décrite par trois angles : le cap (ou azimut, rotation autour de la verticale), le tangage (bascule avant-arrière) et le roulis (bascule latérale). Aucun capteur du smartphone ne mesure directement l’orientation : elle est calculée en combinant plusieurs capteurs. C’est cette information qui fait pivoter l’écran, stabilise les photos et oriente les cartes.
Observer expérimentalement l’orientation
FizziQ regroupe les instruments d’orientation dans un même thème : la boussole donne le cap par rapport au nord magnétique, l’inclinomètre mesure le tangage et le roulis de -90° à +90°, et le théodolite combine les deux pour relever l’azimut et l’élévation d’une cible visée.
Étapes :
- Ouvrir FizziQ et afficher la boussole : tourner lentement sur soi-même et vérifier que le cap parcourt 0 à 360°.
- Afficher l’inclinomètre : basculer le téléphone vers l’avant puis sur le côté et identifier quel angle correspond au tangage et lequel au roulis.
- Avec le théodolite, viser un objet élevé (arbre, bâtiment) et relever son élévation, puis son azimut.
- Approcher un aimant : le cap se dérègle, mais pas l’inclinaison. En déduire quel capteur fournit chaque angle.
- Poser le téléphone immobile et observer la stabilité des angles : ce sont des mesures d’orientation, pas de mouvement, contrairement au gyroscope qui affiche zéro à l’arrêt.
Activités scientifiques sur ce thème
- Nord magnétique au magnétomètre
- Hauteur d’un arbre au théodolite
- Hauteur du Soleil et saisons
- Triangulation au théodolite
- Cap rectiligne sans boussole
Prolongements possibles avec FizziQ : orientation d’une façade ou d’un panneau solaire, relevé d’un plan de salle par visées successives, ou étude de la course du Soleil sur une journée.
En savoir plus
Trois capteurs pour trois angles
L’orientation résulte d’une fusion de capteurs. L’accéléromètre repère la direction de la pesanteur : il fournit la verticale, donc le tangage et le roulis. Le magnétomètre repère la direction du champ magnétique terrestre : il fournit le nord, donc le cap. Le gyroscope ne donne aucune direction absolue, mais mesure très finement les rotations rapides : il assure la réactivité de l’ensemble. Un algorithme combine en permanence les trois : les deux premiers corrigent la dérive du gyroscope, qui en retour lisse leurs mesures bruitées.
Pourquoi la mesure se dérègle près du métal
Le cap dépend du champ magnétique mesuré. Une table métallique, une enceinte ou l’aimant d’une coque déforment ce champ et font tourner le nord apparent, alors que le tangage et le roulis, calculés à partir de la pesanteur, restent justes. C’est un bon test en classe pour attribuer chaque angle à son capteur.
Ordres de grandeur : précision réaliste du cap sur un smartphone : quelques degrés, loin des structures métalliques ; précision du tangage et du roulis à l’arrêt : de l’ordre de 0,5 à 1°. La composante horizontale du champ terrestre, qui sert au cap, ne vaut qu’environ 20 µT en France : elle est facilement dominée par un aimant proche.
Formule
Le tangage et le roulis se déduisent de la répartition de la pesanteur sur les axes de l’appareil, par exemple pour une bascule autour d’un seul axe :
θ = arctan(a∥ / a⊥)
où a∥ et a⊥ sont les composantes de la pesanteur mesurées dans le plan de bascule (m/s²), la relation n’étant valable qu’à l’arrêt.
Le cap se déduit des composantes horizontales du champ magnétique, téléphone à plat :
azimut = arctan(Bx / By)
où Bx et By sont exprimées en µT ; la convention exacte dépend de l’orientation des axes de l’appareil.
Exemples d’application
- La rotation automatique de l’écran, déclenchée par le basculement détecté via la pesanteur.
- La réalité augmentée, qui superpose des informations à l’image en suivant l’orientation du téléphone en temps réel.
- La stabilisation des photos et vidéos, qui compense les petites rotations de la main.
- Les applications d’astronomie, qui identifient l’étoile visée à partir du cap et de l’élévation du téléphone.
- La navigation d’un robot ou d’un drone, qui maintient son cap par fusion de capteurs.
FAQ
Q : Quelle différence entre l’orientation et ce que mesure le gyroscope ? R : Le gyroscope mesure une vitesse de rotation, nulle dès que l’appareil est immobile. L’orientation est une position angulaire, définie même à l’arrêt. On peut passer de l’une à l’autre par intégration, mais au prix d’une dérive croissante si l’on n’utilise que le gyroscope.
Q : Pourquoi le cap est-il parfois faux alors que l’inclinaison reste juste ? R : Parce qu’ils ne viennent pas du même capteur. Le cap repose sur le magnétomètre, sensible aux masses métalliques et aux aimants ; l’inclinaison repose sur l’accéléromètre, qui ne dépend que de la pesanteur.
Q : Le cap indiqué est-il le nord géographique ? R : Non, le nord magnétique. Pour obtenir le nord géographique, il faut ajouter la déclinaison magnétique locale, faible en France métropolitaine mais importante dans d’autres régions du globe.
Concepts liés
Boussole - Inclinomètre - Théodolite - Fusion de capteurs - Accéléromètre - Magnétomètre - Gyroscope - Déclinaison magnétique