A pedestrian dead reckoning system using a foot kinematic constraint and shoe modeling for various motions

Ju, Hojin,Park, Chan Gook Elsevier 2018 Sensors and actuators. A, Physical Vol.284 No.-

<P><B>Abstract</B></P> <P>In this paper, we propose a pedestrian dead reckoning (PDR) system that uses the velocity predicted by a foot kinematic constraint and ellipsoidal shoe modeling in the contact phase. Generally, a PDR system with foot-mounted inertial sensors often uses zero-velocity update (ZUPT) to reduce the influence of the bias and white noise in the gyroscope and accelerometer signals. However, when a pedestrian walks irregularly, ZUPT is unsuitable because the velocity is not small enough to assume that it is zero during the stance phase. Unlike a conventional PDR system that uses ZUPT in the stance phase when the shoe has completely stopped, the proposed PDR system uses the predicted velocity in the contact phase when the shoe touches the ground from the heel-strike to the toe-off states by employing the lever arm vector and the angular velocity to predict the nonzero velocity under the kinematic constraint. The lever arm vector is obtained by the attitude of the shoe according to ellipsoidal shoe modeling. The predicted velocity is used as a measure of the filter during the contact phase. The proposed PDR system can be utilized in various motions with nonzero velocity in the contact phase. The performance of the algorithm was verified by experimental results with various motions.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> Generally, Pedestrian Dead Reckoning (PDR) system with a foot mounted inertial sensors uses zero-velocity update (ZUPT). </LI> <LI> ZUPT is not suitable for an irregular walk because the velocity is not small enough to assume zero during the stance phase. </LI> <LI> Proposed PDR system uses a predicted velocity at the contact phase where a shoe touches the ground. </LI> <LI> An ellipsoidal shoe modeling predicts the nonzero velocity under kinematic constraint. </LI> <LI> The performance of the proposed algorithm is verified by experimental results with various motions. </LI> </UL> </P>

A pedestrian dead-reckoning system that considers the heel-strike and toe-off phases when using a foot-mounted IMU

Ju, Hojin,Lee, Min Su,Park, So Young,Song, Jin Woo,Park, Chan Gook IOP Pub 2016 Measurement science & technology Vol.27 No.1

<P>In this paper, we propose an advanced pedestrian dead-reckoning (PDR) algorithm that considers the heel-strike and toe-off phases. Generally, PDR systems that use a foot-mounted inertial measurement unit are based on an inertial navigation system with an extended Kalman filter (EKF). To reduce the influence of the bias and white noises in the gyroscope and accelerometer signals, a zero-velocity update is often adopted at the stance phase. However, transient and large acceleration, which cannot be measured by the accelerometer used in pedestrian navigation, occur momentarily in the heel-strike phase. The velocity information from integration of the acceleration is not reliable because the acceleration is not measured in the heel-strike phase. Therefore, the designed EKF does not correctly reflect the actual environment, because conventional algorithms do not take the non-measurable acceleration into consideration. In order to reflect the actual environment, we propose a PDR system that considers the non-measurable acceleration from the heel-strike impact. To improve the PDR system’s performance, the proposed algorithm uses a new velocity measurement obtained using the constraint between the surface and the foot during the toe-off phase. The experimental results show improved filter performance after comparison of the proposed algorithm and a conventional algorithm.</P>

A Smartphone-Based Pedestrian Dead Reckoning System With Multiple Virtual Tracking for Indoor Navigation

Ju, Hojin,Park, So Young,Park, Chan Gook IEEE 2018 IEEE SENSORS JOURNAL Vol.18 No.16

<P>In this paper, we present a pedestrian dead reckoning (PDR) system with multiple virtual tracking for indoor navigation using a smartphone. In general, the heading error is one of the main factors causing positional errors in smartphone-based PDRs. To reduce it, methods using the assumption that walls and corridors are straight and either parallel or orthogonal to each other in man-made buildings have been studied. However, these methods are limited in a situation where a pedestrian does not walk down a corridor for a long period of time. In order to overcome the limitations of conventional algorithms using a dominant direction, the proposed PDR system with multiple virtual tracking uses the dominant direction as matching information only when it is reliable. If judging whether a pedestrian is walking in a dominant direction is uncertain at the current stage, the proposed algorithm also considers the previous situation by expanding the virtual tracks for various cases. The experimental results show the improved performance by comparing the proposed algorithm with a conventional one.</P>

Pedestrian Dead Reckoning System Using Dual IMU to Consider Heel Strike Impact

Hojin Ju,Jae Hong Lee,Chan Gook Park 제어로봇시스템학회 2018 제어로봇시스템학회 국제학술대회 논문집 Vol.2018 No.10

캐비테이션에 의한 오리피스 인젝터 분사특성 수치해석

배주현(Ju-Hyun Bae),이형주(Hyung Ju Lee),최호진(Hojin Choi),황기영(Ki-Young Hwang) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

본 연구에서는 고온으로 가열된 유체가 오리피스 인젝터를 통해 분사되는 경우 인젝터 내부의 유동조건에 따른 캐비테이션 현상과 그 영향을 확인하기 위한 수치적 연구를 수행하였다. ICEMCFD<SUP>TM</SUP>로 격자를 생성하고 FLUENT<SUP>TM</SUP>로 CFD 해석을 수행하였으며, 직경 0.7 mm의 오리피스 인젝터를 통해 물을 3 bar의 분사 압력으로 온도 0.1 ~ 120 ℃ 조건으로 분사하였을 때 분사 특성을 유량계수 α로 정량화하였다. 계산 결과 분사온도 50℃ 이상의 영역에서 α는 온도에 따라 감소하는 경향을 보였는데, 이는 온도가 상승할수록 캐비테이션이 활발해지면서 배출시 기포가 많이 섞이기 때문이다. 한편, α를 캐비테이션 수 Kc로 나타낸 결과 Kc가 1.0 이하의 영역에서는 Kc에 따른 α의 기울기가 이전에 연구되었던 실험치와 거의 일치함을 확인하였다. A numerical simulation has been conducted to study the mechansim and effects of cavitation dependent on flow conditions when a heated liquid was injected through an orifice injector. ICEMCFD<SUP>TM</SUP> and FLUENT<SUP>TM</SUP> were used to generate the mesh and perform the CFD analysis, respectively, for the injector with the diameter of 0.7 mm, through which water was injected at the injection pressure of 3 bar and temperature ranging from 0.1 to 120 ℃, and the results were quantified by flow coefficient, α. The study showed that α decreased at the temperature over 5 0℃ due to the high containment of water vapor caused by more active cavitation at high injection temperature. In addition, the slope of α with respect to cavitation number Kc was very similar to that obtained from a previous experimental study when Kc was below 1.0.

항공유의 온도에 따른 분사특성 변화연구

최호진(Hojin Choi),김일두(Ildoo Kim),진유인(Yuin Jin),이형주(Hyung Ju Lee),황기영(Ki-Young Hwang) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.12

실제 항공유가 온도변화에 따라 분사특성이 변화하는 경향을 실험적으로 연구하였다. 스월 인젝터를 사용하여 연료의 비등점 이상까지 연료를 가열하면 인젝터 유량계수 변화를 살펴본 이전연구에 이어, 동일한 방법으로 ?30℃ 수준까지의 저온영역에서 유량계수가 변화하는 현상을 확인하였다. 또한 연료온도 변화에 따라 분사된 연료의 분무입경이 변화하는 경향을 살펴보기 위하여 레이저 광계측 기법을 이용하여 분무 입경 분포를 측정하였다. 유량계수는 상온 대비 저온과 고온에서 모두 감소하는 경향을 보였으며, 분무입경 분포에 있어 고온영역에서는 연료온도가 증가함에 따라 분무 입경 평균이 증가하는 경향을 보였으나 이는 작은 입경의 연료가 활발하게 기화하는 현상에 기인한 것으로 확인되었으며, 저온영역에서는 미소하게 분무 직경이 증가하는 결과를 보였다. An experimental study was conducted to investigate fuel injection characteristics with temperature change of aviation fuel. The change of flow coefficient through pressure swirl injector with low temperature fuel was studied by same analysis method with previous research on high temperature injection. Also, droplet size distribution with fuel injection temperature change is measured using laser diagnostics technique. The flow coefficient through swirl injector was decreased at higher and lower temperature conditions compared to standard temperature injection. When the fuel was heated to higher temperature, the averaged droplet size of spraty was increased and this was caused by rapid evaporation of smaller sized droplets. At lower temperature injection, droplet size distribution was slightly increased.

초임계상태 항공유의 인젝터 형상에 따른 분사특성 변화 연구

최호진(Hojin Choi),이형주(Hyung Ju Lee),김일두(Ildoo Kim),진유인(Yuin Jin),황기영(Ki-Young Hwang) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

실제 항공유가 온도 및 압력이 상승하여 초임계상태에 도달하는 동안 보이는 분사특성 변화를 실험적으로 연구하였다. 특히 오리피스 인젝터의 형상이 분무특성에 미치는 영향을 유량계수의 변화를 통해 살펴보았는데, 오리피스 유로의 길이 대 직경비 (L/D) 와 오리피스 인젝터 직경이 미치는 영향을 살펴보았다. 결과적으로 변화된 오리피스 인젝터의 형상은 액체상태와 초임계상태에서의 분사특성변화에 미치는 영향은 미미하였으나 연료비등에 의해 유량계수가 급격히 감소하는 구간에서는 의미있는 수준의 변화를 동반함을 확인하였다. An experimental study was conducted to investigate fuel injection characteristics with temperature and pressure increase to supercritical phase using aviation fuel. The effect of injector shape like diameter of orifice and ratio of orifice flow path to orifice diameter (L/D) on injection characteristics, especially flow coefficient, are examined. The effects of changed shape of orifice are minimal at liquid and supercritical state injection, although those on trend of flow coefficient decrease during fuel vaporization are notable.

데토네이션을 이용한 충격파 발생 특성 연구

최호진(Hojin Choi),진상욱(Sangwook Jin),배주현(Juhyun Bae),이형주(Hyung Ju Lee),박동창(Dongchang Park) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.12

항공유의 고온 분사 및 연소특성 시험기법 연구

최호진(Hojin Choi),이형주(Hyung Ju Lee),황기영(Ki-Young Hwang),박동창(Dong Chang Park) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

연료를 초임계 상태로 가열하고 오리피스 인젝터와 압력선회형 인젝터를 통해 분사하면서 초고온과 초임계 상태에서의 연료분사 특성을 가시화 결과와 유출계수를 이용하여 분석하였다. 연료의 비등점 이하에서는 오리피스 인젝터와 압력선회형 인젝터이 분사패턴이 완전히 다르지만 기화가 시작되면서 유사한 패턴을 보이게 됨을 가시화를 통해 확인할 수 있었고, 유출계수 또한 액체상태에서 상당한 차이를 보이지만 기체 및 초임계 상태에서는 인젝터 형식에 따른 차이가 상당히 줄어들게 된다. 또한, 항공유의 가열에 따른 분사특성 변화와 함께 연소특성 변화를 확인하기 위해 분젠버너 형태의 시험장치를 구성하고 연료온도 상승에 따른 화염속도 변화를 관찰하였다. An experimental study was conducted to investigate fuel injection characteristics with temperature and pressure increase to supercritical phase using aviation fuel. Using orifice injector and pressure swirl injector, the visualization of spray pattern and analysis of discharge coefficient were conducted. At liquid status, spray patterns from two type of injectors are different from each other. As vaporization proceed, those are shown similar from visualization. The difference in Cd (discharge coefficient) also decreased in vapor or super-critical injection status. To study the combustion characteristics change with fuel temperature increase, flame speed in Bunsen burner was investigated.

에디 공분산 및 자동화 토양챔버 시스템을 이용한 탄소 플럭스 관측 기반 태화산 57년생 잣나무조림지의 탄소흡수능력 평가

이호진 ( Hojin Lee ),주형준 ( Hyungjun Ju ),전지현 ( Jihyeon Jeon ),이민수 ( Minsu Lee ),서상욱 ( Sang-uk Suh ),김현석 ( Hyun Seok Kim ) 한국산림과학회 2021 한국산림과학회지 Vol.110 No.4

산림은 육상생태계에서 가장 큰 탄소흡수원으로 기후변화 대응에 있어 산림의 대기 중 이산화탄소 농도 저감 역할은 중요하다. 최근 ‘2050 탄소중립 계획’에 산림의 탄소흡수 기능의 강화가 기본 방향으로 제시되면서 정확한 산림의 탄소흡수량 산정이 강조되고 있다. 산림부문의 탄소흡수량은 Intergovernmental Panel on Climate Change 지침을 따라 산림 내 생물량, 고사목, 임상 유기물층, 토양층, 수확된 목재제품 등 여러 탄소 저장고 내 탄소축적 변화량으로부터 산정한다. 그러나 국내 산림의 경우 하층 식생을 제외한 주요 수종의 임목 재적 증가로부터 추정한 생물량 증가량만을 산림의 탄소흡수량으로 산정하고 있어 실제 산림의 탄소흡수량과 큰 차이가 발생할 수 있다. 이에 본 연구에서는 경기도 광주시 태화산에 위치한 57년생 잣나무 조림지에서 에디 공분산 시스템과 자동화 토양챔버 시스템을 이용한 탄소 플럭스 관측을 통해 산림의 탄소 교환량 및 순 탄소흡수량을 정량화하고, 이를 현재 산림의 탄소흡수량 산정 방법에 따라 법정림 임분수확표 내 연평균 생장량과 국가 고유계수를 이용하여 계산한 잣나무 조림지 임목의 생물량 증가량과 비교하였다. 또한 탄소 플럭스 관측 기반의 순 탄소흡수량과 잣나무 조림지의 생물량 증가량 및 임상 유기물층의 탄소저장 변화량 등의 차이로부터 나머지 탄소 저장고에서 연간 탄소저장 변화량을 추정하였다. 그 결과 탄소 플럭스로부터 계산한 잣나무 조림지의 연간 순 탄소흡수량은 5.96 MgC ha^-1으로 생물량 증가로부터 계산한 임목의 연간 탄소흡수량 2.77 MgC ha^-1보다 약 2.2배 많았다. 연간 임상 유기물층의 탄소저장 변화량은 0.75 MgC ha^-1로 추정되어, 연간 하층 식생, 고사목, 토양층 등의 탄소 저장고로 유입되는 탄소의 양이 2.45 MgC ha^-1으로 추정되었다. 본 연구의 결과는 국내 산림이 현재 평가 수준보다 더 큰 탄소흡수원임을 보여주며, 탄소 플럭스 관측과 더불어 하층 식생, 고사목, 토양층 등의 탄소 저장고에서 탄소축적 변화량의 정량화를 통해 더욱 정확한 산림부문 탄소흡수량 산정이 필요함을 시사한다. Forests are the largest carbon (C) sinks in terrestrial ecosystems. Recently, as enhancing forest C sequestration capacity has been proposed as a basic direction of the Republic of Korea’s “2050 Carbon Neutral Strategy,” accurate estimation of forest C sequestration has been emphasized. According to the Intergovernmental Panel on Climate Change guidelines, sequestration quantity is calculated from changes in C stocks in forest C pools, such as biomass, deadwood, litter and soil layer, and harvested wood products. However, in Korea, only the overstory biomass increase is now considered the amount of sequestration quantity, so there can be a significant difference from the actual forest C sequestration. In this study, we quantified forest C exchange through C flux measurement using an eddy covariance system and an automated soil chamber system in a 57-year-old Korean pine plantation located in Mt. Taehwa, Gwangju-si, Gyeonggi-do. Then, the net amount of C sequestration was compared with the amount of the overstory biomass increase. We estimated the annual C stock change in the remaining C pools by comparing the net sequestration amount from the C flux measurement with the overstory biomass increase and C stock change in the litter layer. Therefore, the net C sequestration of the Korean pine plantation estimated from the flux measurement was 5.96 MgC ha^-1, which was about 2.2 times greater than 2.77 MgC ha^-1 of the overstory biomass increase. The annual C stock increase in the litter layer was estimated to be 0.75 MgC ha^-1, resulting in a total annual C stock increase of 2.45 MgC ha^-1 in the remaining C pools. Our results indicate that the domestic forest is a larger C sink than the current methods, implying that more accurate calculations of the C sequestration capacity are necessary to quantify C stock changes in C pools along with the C flux measurement.