Soutenance mémoire
La science et le surf
Historique et contexte
Le surf représente l’essence même du sport de glisse. Contrairement au ski ou au skate, le surf définit la capacité d’un homme à utiliser une planche pour glisser sur un élément qui est luimême en mouvement. Il s’agit là de l’homme cherchant à affronter et utiliser les forces de la nature pour créer une relation harmonieuse d’équilibre entre son corps, sa planche et la vague. Le surf peut « être perçu comme une épure des sports de glisse puisqu’il se joue dans un mouvement perpétuel où la vague et sa pente ne sont jamais les mêmes » (Augustin, 1994). Même si le surf était certainement pratiqué avant cette date, c’est en 1778 que le premier surfeur fût observé. Lors d’une expédition du Capitaine Cook dans les îles polynésiennes du Pacifique, ayant notamment mené à la découverte d’Hawaï, ce dernier avait rapporté dans ses carnets de voyages plusieurs dessins montrant des hommes en équilibre sur des planches de bois tentant de prendre une vague .
Le surf est un sport jeune à tous points de vue. En premier lieu, si le fait de se déplacer sur une vague pour ressentir des sensations de glisse est une pratique ancienne, le surf n’est considéré comme sport à part entière que depuis quelques décennies. La professionnalisation aidant, la recherche de performance sur le plan du matériel , de la préparation et des entrainements est devenue inévitable les surfeurs souhaitant aller plus vite, plus haut et plus fort.
La science n’a jamais été le fer de lance de cette volonté d’innovation de l’industrie du surf. Seraient-ce les surfeurs qui avaient peur des équations ou les scientifiques qui se désintéressaient totalement d’une pratique qui de par ses repères identitaires et culturels n’a pas su trouver sa place au sein de l’évolution moderne ? Certainement un peu des deux.
Quoiqu’il en soit, le surf a pu se développer, de manière tumultueuse, en profitant de l’essor et de la croissance du « Surf Business » ces 15 dernières années. Cet essor marketing a eu pour effet de montrer aux grandes entreprises de l’industrie du surf qu’un besoin nouveau était en train de naître à la fois chez les pratiquants (débutants ou professionnels) et chez les artisans de la glisse : ils voulaient en connaitre davantage sur leur pratique. Ils sont devenus désireux de pouvoir analyser leur performance, de pouvoir se comparer aux autres, de pouvoir mettre des mots et une analyse derrière leur ressenti. On a alors assisté au début du professionnalisme avec deux catégories de spécialisation. Les premiers considéraient l’analyse de la vague, le support de glisse, comme indispensable à une meilleure compréhension du surf. Tandis que les seconds prenaient le parti de se focaliser sur le surfeur et sa capacité à agir sur la vague.
Méthodologies utilisées pour l’analyse du surf
De manière générale, l’analyse sportive, technique et scientifique d’un sport en particulier se découpe en deux phases : une première analyse de l’environnement dans lequel se pratique le sport et dans lequel le sportif évolue, puis une seconde analyse plus spécifique du geste sportif et du comportement du pratiquant dans son environnement.
La vague : un environnement instable et imprévisible
La spécificité du surf, en comparaison avec les autres sports, réside dans le fait qu’il se pratique dans un environnement marin en constant mouvement et dont la répétabilité n’existe pas. L’environnement principal du surfeur se compose de trois principaux éléments :
◆ La houle évoluant en pleine mer, au large des côtes, se propageant dans une direction donnée.
◆ La vague qui vient se briser et dérouler lorsqu’elle rencontre une côte.
◆ Le vent, défini à la fois au large, en pleine mer, et également défini à proximité de la côte (souvent de caractéristiques différentes).
Pour comprendre et analyser la notion d’instabilité de l’environnement du pratiquant de surf, il est nécessaire de définir la formation d’une vague. Une vague se forme au large de la côte donc en pleine mer. Le terme de « houle » est alors employé pour définir l’onde générée en pleine mer par le vent soufflant sur une étendue d’eau calme. Ce vent génère des ondes à la surface de l’eau du fait de micro-dépressions localisées. Ce sont ces ondes qui se propagent selon une direction donnée jusqu’à venir se transformer en vagues à l’approche d’une côte. La propagation et la croissance de la houle sont régies selon trois principaux critères : la vitesse du vent, la durée pendant laquelle le vent est présent en mer et la distance parcourue par la houle.
La houle se propage librement à la surface de l’océan en formant des cercles concentriques depuis leur origine et lorsqu’elle se trouve en eau profonde, c’est-à-dire lorsque la profondeur est supérieure à la moitié de la longueur d’onde de la houle. La hauteur de la houle diminue lors de la propagation du fait de la dispersion d’énergie sur la très grande étendue de surface et considérant que les ondes avec de grandes périodes se déplaçant plus vite que les ondes à périodes courtes. Durant cette phase de propagation en pleine mer, la perte d’énergie n’est pas significative. En revanche, lors de l’approche des côtes, et en eau dite peu profonde, la problématique de propagation de houle (devenant alors vague) se complexifie. En effet, la vitesse de propagation de la houle diminue considérablement avec les phénomènes de friction dus à une profondeur d’eau réduite. Avec la différence de profondeur d’eau et la propagation de la houle (se transformant en vague) l’amplitude des ondes augmentent. Cette amplitude augmente jusqu’à ce que la vague se brise et commence à déferler . La direction des ondes tend à évoluer en approchant du bord pour devenir parallèle à la côte (Tribord, 2016).
Leo Holthuijsen a contribué à l’analyse, à la modélisation des vagues et à la prédiction de la houle en définissant notamment « la loi des séries » (Holthuijsen, 2007). Son postulat de départ consiste à considérer que l’ensemble des houles évoluant dans l’océan sont parfaites, c’est-àdire se propageant telles des ondes sinusoïdales avec une période régulière. Les vents de mer étant différents selon le point de départ de la houle et le phénomène de propagation aidant, il est courant d’avoir ainsi deux houles dites « parfaites » qui se rencontrent, en eau profonde ou bien à l’approche des côtes. Dans ce cas, la houle qui va alors être générée de cette rencontre ne sera plus parfaite mais correspondra à une séquence de groupes de vagues devenues irrégulières, instables et pouvant être chaotiques selon les longueurs d’ondes et les périodes.
Le surfeur : un sujet instable et imprévisible
L’analyse du comportement et des interactions d’un pratiquant d’une activité sportive avec son environnement est essentiel aujourd’hui. Plusieurs exemples existent aujourd’hui dans chacune des activités sportives, du sport de raquette (Andrew, et al., 2003) au sport de ballon en passant par les sports d’eau (Terrien, et al., 2012) et les activités artistiques (Sato, et al., 2014). Dans chacun des travaux de recherche disponibles dans la littérature, deux axes de recherche se distinguent dans l’analyse du sportif : considérant que le sportif et son matériel sont instrumentés, soient les expérimentations sont menées et analysés en conditions réelles d’utilisation, soit elles sont effectuées en laboratoire en utilisant différentes techniques de simulation ou reproduction de l’environnement du sportif.
Les entreprises Tecnalia et Pukas ont travaillé en collaboration dans le cadre du projet SurfSens en 2011 pour proposer une instrumentation de planche de surf permettant de recueillir des paramètres significatifs de la pratique du surf en conditions réelles (Urko Esnaola, Tecnalia). Leurs travaux avaient pour objectifs l’analyse d’informations liées au comportement de la planche de surf pour être capable de proposer une conception de planche de surf optimale ainsi que des retours quantitatifs au surfeur sur sa technique et le comportement de sa planche. Des jauges de déformation, des capteurs de pression ainsi qu’une centrale inertielle couplée à un GPS ont été incorporés dans une planche de surf et des tests en conditions réels ont été réalisés .
Une fois les premiers tests réalisés, le projet SurfSens n’a pas eu de suite et aucune exploitation et analyse des données n’a été publiée.
Dans le cadre du surf, l’environnement extérieur est tout particulièrement difficile à modéliser et reproduire en laboratoire. Les travaux de recherche menés dans le cadre de l’analyse d’un surfeur sont pour la plupart réalisés en considérant soit des activités de glisse connexes (utilisation de supports de glisse urbains tels que des « skateboards ») soit les capacités de surfeurs professionnels de se projeter mentalement en conditions de surf réelles (Lundgren, et al., 2014). Par exemple, Lina Lundgren a travaillé sur l’analyse des manœuvres aériennes effectuées par des surfeurs professionnels (Lundgren, et al., 2015). Ses travaux de recherche avaient pour but de déterminer l’intérêt et la fiabilité de certains paramètres d’analyse du mouvement sportif (comme la force de réception maximale, le temps pour stabiliser la réception de la manœuvre en particulier). Les limites de cette étude et de celles menées précédemment résident dans le fait que les essais réalisés en amont de la phase d’analyse de la capacité du surfeur à réceptionner une manœuvre aérienne ont été réalisés dans un environnement considérablement différent de la réalité. L’objectif scientifique était alors d’étudier la fiabilité de comparaison d’une analyse dans un environnement différent de celui du pratiquant pour déterminer sa capacité à effectuer un geste sportif lors de la pratique de son sport.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : État de l’art
1. La science et le surf
1.1 Historique et contexte
1.2 Méthodologies utilisées pour l’analyse du surf
1.2.1 La vague : un environnement instable et imprévisible
1.2.2 Le surfeur : un sujet instable et imprévisible
2. Analyse de l’architecture matérielle d’un simulateur
2.1 Modélisation des systèmes de restitution de mouvement
2.1.1 Modélisation géométrique
2.1.2 Espace de travail
2.2 Perception de mouvement
2.2.1 Sensation vestibulaire et visuelle
2.2.2 Stratégies de commande pour la restitution inertielle
2.2.3 Stratégie classique
2.3 Problématiques liées à l’utilisation d’un simulateur
3. Commande d’un simulateur : interactions homme/machine
3.1 De l’hexapode à commander au système de commande
3.1.1 Modèle de comportement
3.1.2 Synthèse d’une loi de commande mathématiques
3.1.3 Implantation physique d’une loi de commande
3.2 Interaction entre le robot et son environnement : commande en force
3.2.1 Compliance passive/active
3.2.2 Commande en impédance (sans mesure de l’effort)
3.2.3 Commande hybride externe
Approche utilisée dans le cadre du projet SIMUSURF
Chapitre II : Campagne expérimentale in situ : Matériels et Méthodes
1. Introduction
1.1 Description d’une campagne d’essais in situ
1.2 Objectifs de la campagne expérimentale
1.3 Description des paramètres d’intérêt
1.3.1 Trajectoire d’une planche de surf sur la vague
1.3.2 Phases d’appui chez le surfeur
2. Matériel expérimental
2.1 La plateforme de forces
2.1.1 Cahier des charges spécifique
2.1.2 Description du matériel retenu
2.2 La centrale inertielle
2.3 Le système d’acquisition Arduino
2.3.1 Acquisition et stockage des données
2.3.2 Déclenchement et synchronisation des mesures
2.4 La planche de surf
2.4.1 Conception et réalisation
2.4.2 Positionnement des capteurs et de l’électronique embarqués
2.4.3 Etanchéité du matériel expérimental en environnement marin
2.5 Caméras vidéos
2.5.1 Caméra embarquée
2.5.2 Caméra on-shore
3. Expérimentations
3.1 Conditions d’essais
3.1.1 Conditions de mer
3.1.2 Notre approche dans le cadre de l’étude
3.2 Protocole expérimental
3.3 Identification des phases d’actions du surfeur sur une vague
3.3.1 Lors du take-off
3.3.2 Lors de la prise de vitesse
Retours sur une campagne expérimentale in situ
Chapitre III : Traitement des données expérimentales
1. Validation des données mesurées
1.1 Trajectoire de la planche sur la vague
1.2 Modèle de calcul du centre de pression du pied avant
1.3 Caractéristiques du rebond de la planche sur la face de la vague
2. Identification d’un modèle mathématiques expérimental
2.1 Introduction
2.2 Vague de référence
2.3 Résultats
2.4 Validation du modèle global
3. Suivi de trajectoires : implantation de la base de données expérimentales dans l’hexapode
3.1 Introduction
3.2 Limites de l’architecture mécanique de l’hexapode
3.3 Conception de l’environnement « surf » du simulateur
3.4 Résultats d’intégration de la base de données
3.4.1 Modèle de suivi des rotations de la planche
3.4.2 Modèle de suivi des translations relatives de la planche
3.4.3 Modèle de suivi mixte
Approche utilisée pour valider et traiter les données expérimentales
Chapitre IV : Analyse et implantation physique d’une loi de commande dans le simulateur : méthodes et résultats
1. Analyse du modèle global d’interactions surfeur/vague
1.1 Configuration du système
1.2 Analyse du niveau de couplage du système
1.3 Découplage du système dans le cadre du projet SIMUSURF
2. Proposition d’un modèle global expérimental d’interactions P(s)
2.1 Choix et détermination des entrées/sorties prépondérantes et caractéristiques
du système P(s)
2.2 Identification du modèle expérimental P(s)
3. Implantation d’un modèle expérimental de commande de l’hexapode
3.1 Modifications nécessaires de la partie hardware de l’hexapode
3.2 Architecture de commande
3.2.1 Mise en place numérique du schéma de commande
3.2.2 Approche CRONE : synthèse d’un régulateur
3.2.3 Analyse de la robustesse du système de commande
4. Résultats expérimentaux de la simulation de surf en environnement
contrôlé
4.1 Trajectoires générées en laboratoire
4.2 Ressenti du surfeur débutant VS le surfeur confirmé
4.3 Couplage avec un modèle de réalité virtuelle
Approche utilisée pour implanter une loi de commande réaliste et robuste dans le
simulateur
Conclusion générale
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