Lors de la présentation de l’iPhone 4, le patron d’Apple, Steve Jobs, n’a pas manqué de mentionner l’une des nouvelles spécificités du smartphone, à savoir un gyroscope trois axes qui améliore de façon sensible le contrôle des mouvements de l’utilisateur. Déjà présent dans certains périphériques mobiles comme le Wii Motion Plus (accessoire qui étend les capacités de reconnaissance 3D de la Wii), ce composant améliore la fiabilité des systèmes de pointage, les manettes de jeux notamment, et donc l’interactivité des applications avec l’utilisateur. Par exemple avec Eliminate GunRange, le joueur peut bouger son iPhone sur trois axes pour affiner le pointage de son arme vers une cible. On bouge dans le jeu en même temps qu’on se déplace physiquement. Le gyroscope assure aussi une meilleure stabilité de l’image pour les appareils photo numériques et les caméras vidéo en contrant les saccades. Sans oublier la navigation “ à l’estime ”, c’est-à-dire qu’il permet à un système de navigation de calculer notre position courante en l’absence de contact direct avec les satellites GPS, sous les tunnels par exemple.Autant de bonnes raisons de s’attarder sur cet instrument en plein essor qui fut inventé en 1852 par Léon Foucault. Le physicien mit en exergue l’effet gyroscopique en même temps qu’il mettait en évidence la rotation de la Terre avec ce qui devint le pendule de Foucault. Pour prouver ce phénomène, il finalisa un appareil à même d’assurer une rotation rapide suffisamment longtemps pour pouvoir effectuer des mesures. Ainsi naquit le gyroscope, appareil dont la caractéristique principale est de conserver le moment angulaire, autrement dit de garder un axe de rotation fixe quelles que soient les orientations qui lui sont imposées par l’environnement.
Un diapason en silicium
Autre phénomène remarquable : si on exerce une force sur un gyroscope en rotation, son axe ne s’orientera pas dans la direction de la force exercée mais dans une direction perpendiculaire à celle-ci. L’effet physique à l’origine de ce résultat est la force de Coriolis. L’objet le plus souvent cité pour décrire et illustrer l’effet gyroscopique n’est autre que la toupie. La manière de créer un gyroscope a passablement évolué au fil du temps. Ceux de type mécanique peuvent tourner sur trois axes avec trois types de mouvement angulaire : le lacet, le roulis et le tangage (voir infographie).Ce sont les seuls à mesurer l’orientation. Les gyroscopes à fibre optique (FOG) mesurent pour leur part la vitesse angulaire en utilisant les interférences de la lumière. Tout comme les gyroscopes que l’on retrouve dans les Mems (microsystèmes électroniques), nommés également gyromètres, utilisés dans les manettes de jeux et la plupart des smartphones. Ces gyromètres sont constitués de puces en silicium dans lesquelles sont greffés des éléments mécaniques. Ils sont à structure vibrante et reposent de la même manière que les gyroscopes traditionnels sur la force de Coriolis. Pour finaliser un tel composant, les ingénieurs doivent réaliser une sorte de diapason en silicium. L’ensemble constitue une structure de détection sur un substrat en silicium et repose sur le principe du pendule de Foucault : deux masses oscillent l’une par rapport à l’autre à haute vitesse.
STM et InvenSense dans la course
En combinant deux ou trois de ces structures, on parvient à mesurer les mouvements sur les trois axes orthogonaux et ainsi simuler un effet gyroscopique. À chaque mouvement, les deux branches du diapason se tordent sous l’effet de la force de Coriolis et du coup n’oscillent plus dans le même plan. La déformation se mesure par la variation de capacité électrique entre les masses et le support de silicium. Un tel gyroscope n’occupe pas plus de quelques millimètres cubes aujourd’hui.Les choses évoluent rapidement. En février dernier, STMicroelectronics a annoncé la production d’un nouveau gyroscope tri-axial numérique qui repose sur une seule structure de détection.L’entreprise estime que cette conception permet d’accroître sensiblement la précision et la fiabilité dans les applications grand public commandées par mouvements, notamment dans les manettes de jeux. Une telle conception présente l’avantage d’éliminer toute interférence entre les axes qui affecterait et dégraderait le signal. Le gyroscope propose une grande plage programmable de ± 250 à ± 2 000 degrés par seconde, les valeurs basses assurant une haute précision pour la détection des mouvements lents tandis que les valeurs hautes permettent de détecter et de mesurer des gestes très rapides.De son côté, InvenSense a annoncé récemment une solution Mems détectant les mouvements sur six axes. La solution comprend la première puce gyroscopique six axes couplée à un accéléromètre 3 axes. Elle devrait permettre à des produits plus petits (baladeurs, téléphones, consoles portables, télécommandes) de profiter d’une précision impressionnante dans la détection des mouvements… La fabrication de ces minicapteurs à l’échelle industrielle a fait baisser les prix drastiquement et va contribuer à leur banalisation dans les nouveaux objets numériques.
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