Un kilomètre à pied
Utiliser l'accéléromètre pour construire un podomètre
Chaque jour, ton smartphone compte silencieusement tes pas grâce à un petit capteur appelé accéléromètre. Mais comment un simple capteur de mouvement peut-il distinguer un pas d'un geste de la main ou d'un cahot en voiture ? Le podomètre est en réalité un algorithme sophistiqué qui analyse en temps réel les signaux d'accélération pour détecter les motifs caractéristiques de la marche humaine. Chaque pas produit une séquence reconnaissable : une poussée vers le haut, un court instant de vol relatif, puis un impact au sol. Cette activité propose de décortiquer ce processus en enregistrant les données brutes de l'accéléromètre pendant la marche avec FizziQ, puis en comparant ces données avec le comptage automatique du podomètre. L'élève découvre ainsi comment les ingénieurs transforment un signal physique complexe en une information simple et utile.
Résumé :
L'élève enregistre l'accélération absolue pendant 50 pas de marche avec FizziQ, identifie les motifs caractéristiques de chaque pas sur le graphique, puis utilise la fonction Duo pour comparer les données brutes de l'accéléromètre avec le comptage du podomètre intégré. Il propose ensuite un algorithme simple de détection de pas basé sur un seuil d'accélération.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Lycée
FizziQ
30-40
Objectif pédagogique :
- Enregistrer et analyser un signal d'accélération périodique
- Identifier des motifs répétitifs dans un signal temporel
- Comprendre la notion de seuil de détection dans un algorithme
- Utiliser la fonction Duo de FizziQ pour corréler deux mesures simultanées
- Proposer un algorithme de comptage de pas basé sur les données expérimentales
Concepts scientifiques :
- Accélération périodique
- Traitement du signal
- Algorithme de détection de seuil
- Biomécanique de la marche
- Capteur MEMS (accéléromètre)
- Fréquence de la marche
Capteurs :
- Accéléromètre (accélération absolue)
- Podomètre intégré du smartphone
Matériel :
- Smartphone ou tablette avec FizziQ
- Un espace dégagé pour marcher
- Cahier d'expérience FizziQ
Protocole expérimental :
Sais-tu comment fonctionne un podomètre ? Cet appareil présent dans ton smartphone permet de compter le nombre de pas que tu parcours dans la journée.
Analysons les mouvements que détecte ton portable quand tu marches.
Sélectionne l'Accélération Absolue dans les Mesures et marche pendant 50 pas en enregistrant les données, puis ajoute le graphique à ton cahier.
Arrives-tu à reconnaître des motifs sur le graphique qui te permettraient d'identifier chacun de tes pas ? Peux-tu en déduire comment un podomètre calcule le nombre de pas ?
Pour vérifier tes hypothèses, enregistre simultanément l'Accélération absolue et le Podomètre grâce à la fonction Duo dans l'onglet Outils.
Attention, la donnée Accélération absolue doit être placée dans le rond de gauche car ses données sont enregistrées plus fréquemment que celles du Podomètre.
Analyse le graphique. Peux-tu en déduire comment créer un podomètre à partir de l'Accélération absolue ?
Que se passe-t-il si tu cours ? Les motifs changent-ils ?
Enregistre ces analyses dans ton cahier et ajoute des photos et commentaires pour créer un document PDF à partager.
Résultats attendus
Le graphique d'accélération montre des oscillations régulières avec une fréquence de 1,5 à 2,5 Hz correspondant à la cadence de marche. Chaque pas produit un pic d'accélération caractéristique (typiquement 12-15 m/s² pour la marche, 20-30 m/s² pour la course). Le podomètre détecte chaque passage au-dessus d'un seuil (environ 10,5-11 m/s² pour l'accélération absolue). La comparaison Duo montre une bonne corrélation entre les pics d'accélération et l'incrémentation du compteur de pas. En courant, les pics sont plus intenses et plus rapprochés, avec une fréquence de 2,5-3,5 Hz.
Questions scientifiques :
- Quel seuil d'accélération permettrait de détecter correctement chaque pas ?
- Pourquoi le podomètre fait-il parfois des erreurs de comptage ?
- Comment le signal d'accélération change-t-il entre la marche et la course ?
- Que se passe-t-il si le smartphone est dans la main plutôt que dans la poche ?
- Comment un podomètre distingue-t-il un pas d'une vibration parasite ?
Analyse scientifique
Le podomètre moderne repose sur l'analyse des signaux d'accélération générés par les mouvements du corps pendant la marche. Chaque pas produit un motif caractéristique d'accélération en trois phases : une phase d'accélération positive lors de la poussée initiale, une phase de chute libre relative pendant le balancement de la jambe, et une décélération brusque lors de l'impact du pied au sol.
Ces cycles se répètent de façon régulière avec une fréquence typique de 1,5 à 2,5 Hz (90 à 150 pas par minute) pour une marche normale. L'accéléromètre MEMS du smartphone mesure ces variations à une fréquence d'échantillonnage élevée (>100 Hz) et avec une sensibilité de l'ordre de 0,01 m/s².
L'algorithme d'un podomètre analyse le signal en appliquant plusieurs techniques : filtrage pour éliminer les mouvements parasites, détection de pics pour identifier chaque pas, et validation par des critères d'amplitude et de fréquence pour éviter les faux positifs. Les podomètres modernes exigent souvent une séquence de 5-7 accélérations régulières avant de commencer à compter.
La fonction Duo de FizziQ permet d'observer simultanément les données brutes d'accélération et leur interprétation par le podomètre, offrant une vision directe de ce processus de traitement du signal. Cette technologie illustre comment des principes physiques fondamentaux peuvent être exploités pour créer des outils utiles au quotidien.
Variantes possibles
- Comparer les signaux de marche lente, rapide et de course
- Tester l'influence de la position du smartphone (poche, main, sac)
- Comparer le podomètre de FizziQ avec celui d'une application commerciale
- Estimer la distance parcourue à partir du nombre de pas et de la longueur de foulée
FAQ
Q: Pourquoi utiliser l'Accélération Absolue plutôt qu'un seul axe ?
R: L'accélération absolue combine les trois axes (√(ax²+ay²+az²)), ce qui la rend indépendante de l'orientation du smartphone. Un seul axe ne détecterait les pas que si le téléphone est correctement orienté.
Q: Comment fonctionne la fonction Duo de FizziQ ?
R: La fonction Duo permet d'enregistrer deux mesures simultanément et de les afficher sur le même graphique temporel. Il faut placer la mesure la plus fréquente dans le rond de gauche.
Q: Pourquoi le podomètre ne compte-t-il pas les premiers pas ?
R: Les algorithmes de podomètre attendent généralement une séquence de 5 à 7 pas réguliers avant de commencer le comptage, pour éviter de compter des mouvements qui ne sont pas de la marche.