Mesurer les performances dans le beau jeu

Dans mon récent article de blog consacré au ballon officiel de la Coupe du Monde de la FIFA 2026^®, le Trionda^® d’Adidas, j’ai abordé l’aérodynamique du ballon et la dynamique d’impact lors des trivelas, ces puissants tirs effectués avec l’extérieur du pied qui se caractérisent par une trajectoire courbe bien particulière. Dans cet article, je vais m’intéresser aux capteurs intégrés au ballon et aux gilets que les joueurs portent sous leur maillot. Ces systèmes contiennent des accéléromètres MEMS, des gyroscopes, des magnétomètres, des électrodes ECG et des systèmes de communication RF qui permettent un suivi et une analyse en temps réel pour le staff technique et les arbitres assistants vidéo (VAR, pour Video Assistant Referees). Je vais également examiner comment ces dispositifs peuvent être modélisés et simulés à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics^®.

Les capteurs du Trionda

Le 3 mai dernier, Manchester United a remporté une victoire spectaculaire 3-2 contre Liverpool à Old Trafford. À la 14^e minute, Benjamin Šeško a inscrit le but du 2-0 pour Manchester United. Ce but a suscité la polémique, car Šeško aurait touché le ballon de la main juste avant qu’il ne franchisse la ligne de but.

Comme la Premier League n’utilise pas de ballons équipés de puces IMU (Inertial Measurement Unit), les responsables VAR ont passé plusieurs minutes à examiner les images des caméras avant de juger celles-ci non concluantes et de valider le but.

Ce genre de situation a moins de chances de se produire lors de la Coupe du Monde 2026. Le Trionda contient une puce IMU de 500 Hz composée d’accéléromètres et de gyroscopes MEMS. Ainsi, même les variations relativement faibles d’accélération et de vitesse angulaire provoquées par un simple contact avec le ballon peuvent être détectées et analysées en temps réel.

Les capteurs intégrés au Trionda ont déjà joué un rôle décisif lors de la Coupe du Monde cette année. Lors du match de dimanche opposant la Suède à la Tunisie, le but de Mattias Svanberg (4-1 pour la Suède) avait d’abord été refusé pour hors-jeu. Il semblait en effet que Svanberg avait reçu le ballon directement sur le coup franc, auquel cas il aurait effectivement été hors-jeu.

Toutefois, les capteurs intégrés au ballon ont détecté un effleurement de la pointe du pied d’Alexander Isak, coéquipier de Svanberg, entre le coup franc et la frappe ayant marqué le but. Il était difficile, voire impossible, de confirmer si Isak avait touché le ballon en se basant uniquement sur les images vidéo. Les capteurs ayant pu déterminer le moment exact du contact, l’arbitre VAR a pu établir que la passe ayant conduit au tir de Svanberg provenait d’Isak et non directement du coup franc. Au moment où Isak a touché le ballon, Svanberg n’était plus en position de hors-jeu, et le but a donc été validé.

Pour couronner le tout, Svanberg venait d’entrer en jeu quelques secondes avant cette action et ce but était sa toute première touche de balle du match. Quel timing, tant de la part de l’entraîneur que du joueur !

Illustration schématique réalisée dans COMSOL Multiphysics^® représentant le ballon Adidas Trionda, avec la puce de capteur placée dans l’un des quatre panneaux qui composent la surface du ballon. Des contrepoids intégrés dans les trois autres panneaux assurent la symétrie mécanique du ballon.

La puce intégrée au Trionda, qui rend possible ces revirements de situation, a été développée par Adidas en collaboration avec KINEXON Sports. Les deux entreprises n’ont pas rendu public le nom du produit IMU utilisé pour développer cette puce. Cependant, les spécifications disponibles publiquement d’appareils du commerce, tels que les TDK^® InvenSense^® ICM-20649 et ICM-45686 présentent des caractéristiques remarquablement proches de ce que l’on attendrait d’une IMU conçue pour les applications liées au football. Ces appareils peuvent supporter des vitesses angulaires allant jusqu’à ±4 000 degrés par seconde (dps) et des accélérations allant jusqu’à ±32 g. Il est intéressant de noter que la fiche technique de l’ICM-20649 mentionne explicitement les “coups de pied dans un ballon de football” comme application cible. Les dispositifs MEMS MotionTracking^® de TDK intègrent trois accéléromètres MEMS et trois gyroscopes MEMS, ainsi que des circuits de traitement du signal, des convertisseurs analogique-numérique, des capteurs de température et des interfaces de communication, le tout dans un boîtier hermétique compact de 2.5 × 3 × 0.81 mm.

Un gyroscope MEMS peut être modélisé comme un gyroscope à vitesse vibratoire, dans lequel les forces de Coriolis couplent un mode de vibration excité à un mode de détection. Bien que la géométrie de la puce IMU utilisée dans le Trionda soit propriétaire et que, par conséquent, ses gyroscopes ne puissent pas être reproduits à l’identique pour la simulation, nous illustrons ce principe avec les modèles COMSOL Multiphysics^® de gyroscopes à diapason à peignes interdigités.

En plus de la puce IMU, le module électronique intégré au Trionda comprend également un émetteur de positionnement local permettant d’envoyer des données de synchronisation et de localisation aux balises du stade, une antenne RF à bande ultra-large destinée à la communication avec ces balises, ainsi qu’une batterie. À l’instar de la puce IMU, les composants électroniques RF et les batteries peuvent être modélisés à l’aide de COMSOL Multiphysics^®.

L’IMU et le système de positionnement peuvent être utilisés par l’équipe VAR à d’autres fins que la simple détermination d’une éventuelle faute de main, comme dans le cas du but de Šeško que j’ai mentionné plus haut. Ils permettent également de déterminer le moment exact où le ballon est touché lors d’une passe, ce qui permet de vérifier si le joueur qui reçoit le ballon était hors-jeu à l’instant précis de la passe. La fréquence d’échantillonnage élevée permet au système de distinguer les touches successives lors de rebonds et de changements de trajectoire, ce qui peut s’avérer important dans les situations de mêlée à l’intérieur de la surface de réparation. De plus, le système de positionnement peut déterminer où se trouve le ballon par rapport à la ligne de but (vraisemblablement en combinaison avec un traitement d’image).

Les gyroscopes permettent également de mesurer en temps réel la vitesse angulaire et l’axe de rotation du ballon pendant son vol, ce qui permet d’analyser les effets de courbure, les trajectoires dues à l’effet Magnus et les tirs flottants à faible rotation avec beaucoup plus de précision qu’auparavant.

Pour nous, devant nos écrans de télévision, cela serait d’autant plus intéressant si nous pouvions également voir les statistiques concernant les tirs les plus puissants et ceux qui présentent le plus d’effet pendant un match !

Les capteurs intégrés aux gilets

Les gilets que les joueurs portent sous leurs maillots contiennent encore plus de capteurs et de composants électroniques que le ballon. Alors que la puce IMU intégrée à ce dernier est conçue pour mesurer et résister aux frappes puissantes et aux rotations rapides, celles intégrées aux gilets des joueurs sont optimisées pour le suivi et la détection des mouvements sur de longues durées, notamment pendant la course et les changements de direction.

Si vous observez attentivement les joueurs pendant un match, vous remarquerez peut-être une petite bosse sous leur maillot, entre leurs omoplates. Cela correspond au boîtier du gilet, où se trouvent la plupart des capteurs et des composants électroniques. Les électrodes ECG qui mesurent la fréquence cardiaque et la variabilité de la fréquence cardiaque sont les seuls capteurs placés à l’extérieur du boîtier. Elles sont situées dans la partie inférieure avant du gilet.

On voit souvent ce gilet après les matchs, lorsque les joueurs échangent leurs maillots.

Représentation schématique des capteurs intégrés au gilet et au boîtier. Sur le gilet réel, le boîtier est dissimulé dans une poche, et les électrodes ECG sont intégrées au gilet et ne sont donc pas visibles (à moins de retourner le gilet). Cette image a été créée à l’aide de ChatGPT^™.

Outre l’IMU, équipée d’accéléromètres et de gyroscopes mesurant l’accélération et la vitesse angulaire dans les trois directions, le boîtier contient un récepteur GNSS (Global Navigation Satellite System) ainsi qu’un système de positionnement local, similaire à celui utilisé dans le ballon. Il contient également un magnétomètre triaxial qui mesure la direction du champ magnétique pour la correction de l’orientation, ainsi que des antennes, des émetteurs RF, des microcontrôleurs, des batteries et d’autres composants électroniques.

On imagine aisément l’importance de la conception du système de gestion thermique du module, compte tenu de tous les composants électroniques qu’il renferme. Le gilet lui-même entrave probablement les capacités de dissipation thermique du joueur, et si le module n’est pas bien conçu, il peut même devenir une source de chaleur gênante.

Une simulation dans COMSOL Multiphysics^® d’un accéléromètre micro-usiné en surface à actionnement capacitif, généralement utilisé dans les produits de grande consommation.

Néanmoins, les données recueillies par le gilet sont précieuses pour améliorer les performances des joueurs dans le temps. Le schéma ci-dessous présente les données transmises par le gilet d’un joueur fictif, que le staff technique peut consulter en direct pendant le match et analyser par la suite.

Si un joueur, par exemple, réalise moins de sprints et montre d’autres signes de fatigue, l’entraîneur peut décider de le remplacer. Après le match, le joueur et les entraîneurs peuvent analyser les déplacements du joueur sur le terrain à l’aide de la carte thermique et procéder à des ajustements tactiques.

Ces données peuvent également permettre de mettre en évidence les tactiques qui fonctionnent bien. Par exemple, si la carte thermique montre de bonnes statistiques de possession et un nombre élevé de centres offensifs réussis d’un côté du terrain pour un milieu de terrain central, les entraîneurs peuvent décider de demander au joueur de privilégier les attaques de ce côté tout en restant plus central en défense. Il pourrait s’agir du côté gauche pour un joueur gaucher, par exemple.

Depuis l’introduction de ces maillots, les statistiques qu’ils génèrent sont conservées en interne par l’équipe et ne sont pas diffusées à la télévision — à mon grand regret. Parfois, lorsqu’un joueur est remplacé, on peut voir la distance totale qu’il a parcourue, mais c’est généralement tout. Les données relatives au ballon et aux maillots ne sont généralement pas traitées conjointement non plus. Les statistiques telles que les contacts du joueur avec le ballon, les buts attendus et les tirs cadrés sont souvent obtenues par traitement d’images, indépendamment des données fournies par les maillots et le ballon.

Imaginez pouvoir consulter en direct, pendant le match, toutes les statistiques relatives au ballon et aux maillots ! Il serait fascinant de pouvoir visualiser en temps réel les points forts et les points faibles du jeu d’un joueur, et pas seulement sous forme de tableau présenté après le match ou à la mi-temps.

Vue schématique de l’interface présentant les données provenant du maillot du joueur “John Doe”. La carte thermique révèle que le joueur est un milieu de terrain central offensif, car on observe peu de sprints défensifs à grande vitesse. La carte thermique indique presque toujours une direction offensive de gauche à droite. Cette image a été créée à l’aide de ChatGPT.

Le public

Jusqu’à présent, j’ai parlé des capteurs intégrés au ballon, de la manière dont ils facilitent le travail de la VAR et de la façon dont ils peuvent également rendre le match plus intéressant pour nous, les téléspectateurs.

Si ces dernières innovations technologiques changent la donne pour les spectateurs, il y a un aspect du football qui a toujours rendu ce sport si passionnant à regarder et qui continuera de le faire: le public. Et la meilleure façon de vivre pleinement le football, c’est bien sûr en direct, au stade.

Certains matchs de la Coupe du Monde 2026 se dérouleront dans l’emblématique Estadio Azteca (officiellement “Estadio Banorte”) de Mexico, le stade où Carlos Alberto a marqué lors de la finale de la Coupe du Monde 1970 d’une fantastique frappe à ras de terre sur une passe décisive de Pelé. C’est également là que Diego Maradona a inscrit le But du Siècle (“el barrilete cósmico”) lors de la Coupe du Monde 1986.

L’Estadio Azteca a fait l’objet d’importants travaux de rénovation en vue de la Coupe du Monde (et a été temporairement rebaptisé “Mexico City Stadium” par la FIFA). Entre autres, un tout nouveau système audio a été installé afin d’améliorer l’expérience des spectateurs sur place. Pour le plaisir et pour vous aider à imaginer comment cela sonne dans le stade, l’équipe de COMSOL a simulé la propagation des ondes acoustiques de l’un des ensembles de haut-parleurs du système (ci-dessous) ; ne manquez pas le troisième article de cette série consacrée à la Coupe du Monde, dans lequel je partagerai d’autres résultats de simulation sur l’acoustique du beau jeu.

Simulation de la propagation des ondes acoustiques à partir de l’un des réseaux de haut-parleurs suspendus au plafond du stade Banorte (Estadio Azteca), récemment rénové. La répartition complète de la pression acoustique est obtenue par superposition des champs sonores provenant d’environ 70 ensembles de haut-parleurs répartis dans tout le stade et suspendus à la structure du toit.

En attendant, continuons à soutenir nos équipes préférées dans ce qui, espérons-le, sera la meilleure Coupe du Monde de tous les temps !

Par amour du jeu (et rien d’autre!)

Bien que les modèles et les simulations présentés ici soient à la pointe de la technologie, ils ont été créés uniquement pour le plaisir. Une étude scientifique sérieuse examinerait les paramètres en jeu de manière beaucoup plus approfondie. Par exemple, la géométrie de l’Estadio Banorte devrait être modélisée de manière bien plus détaillée et les résultats de la simulation devraient être validés à l’aide de mesures expérimentales.

Ces analyses ont été menées indépendamment d’Adidas, de Kinexon et de TDK, et nous ne prétendons pas avoir collaboré avec l’une ou l’autre de ces organisations.

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