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13 oct 2017

LIDAR, UN PASO MÁS EN LAS TECNOLOGÍAS DE DETECCIÓN

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Lidiando con los LIDAR.

En publicaciones anteriores hemos hablado sobre los coches autónomos y algunas de las tecnologías que los rodean. Hemos hablado sobre cómo los coches pueden comunicarse entre ellos o con infraestructuras tales como semáforos, cruces,… También se ha mencionado que para que el coche autónomo sea una realidad, necesita conocer su entorno. Precisamente a este tema dedicaremos esta entrada del blog. Así pues, en esta entrada se hablará de los sensores utilizados por los coches para obtener imágenes tridimensionales. A partir de esta imagen podremos conocer en qué situación se encuentra el coche y qué situaciones pueden propiciarse a su alrededor.

LIDAR

Escáner Láser 3D

Los distintos medios de transporte han utilizado diversas tecnologías para conocer su entorno. Así pues, los barcos, utilizan el sónar para conocer el fondo marino, los aviones, utilizan radares para conocer el espacio aéreo,…

Todas estas tecnologías son muy similares entre sí ya que se basan en la emisión, reflexión y recepción de ondas. En el caso del sónar se usan ondas de presión (sonidos) y en el caso del radar ondas de radio (ondas electromagnéticas). En ambos casos se emite una onda que rebota en los distintos objetos y regresa al lugar de donde vino. Analizando la diferencia de tiempo entre la onda emitida y la onda recibida se puede calcular de forma sencilla la distancia a la que se encuentran los objetos y por lo tanto tener un mapa del entorno.

La evolución de este tipo de tecnologías son los LIDAR (LIght Detection And Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging). Los LIDAR siguen el mismo principio que los sónares y los radares aunque en lugar de utilizar sonido u ondas de radio utilizan ondas de luz.

LIDAR

Barco utilizando un sónar para obtener imágenes del fondo marino

Funcionamiento de un LIDAR

Tal y como hemos comentado antes, el funcionamiento básico del LIDAR es muy sencillo. Se emite una onda de luz usando un láser. Esta onda rebota en un objeto y vuelve al lugar desde el cual se emitió. Al recibir la onda se calcula la diferencia de tiempo entre la emisión y la recepción y a partir de esta diferencia se obtiene la distancia a la que se encuentra el objeto.

Al usar un láser tenemos una serie de ventajas. La principal de ellas es que el láser se caracteriza por tener un haz que diverge muy poco. Esto hace que podamos obtener una gran resolución en la imagen final obtenida. Es decir, la distancia mínima entre dos puntos (distancia mínima necesaria para distinguir un punto de otro) es muy pequeña por lo que podemos obtener una nube de puntos muy densa con la que construir una superficie que se asemeje mucho a la realidad.

Además, al tratarse de luz, el tiempo que se tarda en realizar una medición es mínimo (ya que la onda viaja muy rápido) por lo que el tiempo que tarda el sensor en formar una imagen del entorno es también mínimo.

Según su funcionamiento podemos distinguir dos grandes grupos de LIDAR: de pulsos y de haz continuo. Los LIDAR de pulsos se caracterizan por emitir un pulso y esperar un tiempo para recibir las ondas reflejadas mientras que los de haz continuo emiten constantemente pulsos los cuales son recibidos en un receptor diferente al emisor. La ventaja de estos últimos es que no tenemos que esperar un tiempo entre un pulso y otro por lo que ofrecen una resolución mayor.

Atendiendo a su rango de trabajo los LIDAR pueden ser de dos tipos: estáticos y giratorios. Los LIDAR estáticos se caracterizan porque permanecen siempre en la misma posición (se puede modificar su campo de visión con espejos pero éste siempre estará limitado). Por el contrario, los LIDAR giratorios van rotando sobre sí mismos por lo que permiten obtener un mapa de 360º del entorno.

LIDAR

LIDAR de tipo giratorio

Aplicaciones de los LIDAR

La primera aplicación que encontramos es tal y como hemos comentado en vehículos de última generación. Con esta tecnología el vehículo puede obtener un mapa muy fiable de su entorno (aunque para aumentar aún más la fiabilidad se suelen combinar con datos provenientes de cámaras y sistemas de navegación satelital: GPS, GALILEO,…).

Pero no sólo se utilizan en vehículos sino que su campo de actuación es mucho más amplio. De hecho, el mayor interés de esta tecnología a día de hoy está en el campo de la topografía y la geología. Colocando un LIDAR en un avión se pueden realizar mapas topográficos del terreno a gran escala y de una gran precisión.

Uno de los mayores problemas que presentan otras técnicas topográficas en las cuales se embarcan sistemas en aviones es que la vegetación puede actuar como barrera y por lo tanto dificultar la toma de datos. Por ejemplo, si queremos hacer un estudio de la elevación del terreno en las zonas con vegetación no podemos calcular correctamente la elevación sino que únicamente podremos hacer una estimación.

El láser cuando se encuentra con vegetación no rebota completamente sino que una parte de la energía emitida la atraviesa y otra parte rebota. La energía que atravesó la primera capa puede volver a encontrarse con otra capa en la cual se dé el mismo efecto (parte de la energía rebota y parte de la energía atraviesa la capa). Este hecho puede darse varias veces para un mismo rayo emitido por lo que para un mismo punto podamos tener varias medidas de altitud. Esto aunque pueda parecer un inconveniente es una gran ventaja ya que nos permite calcular la cota del terreno de una forma mucho más precisa. Además, podemos obtener información de la vegetación que hay en cada zona (cantidad, altura, …).

Los geólogos utilizan estos datos para ver cómo va evolucionando el terreno (por ejemplo para analizar la evolución de glaciares, placas tectónicas…). E incluso los ingenieros forestales pueden tener un mapa de modelos de combustible y estado de la vegetación.

Además, dado que el LIDAR no necesita condiciones de buena visibilidad se puede utilizar tanto si es de noche o si hace mal tiempo o bruma como si es de día por lo que en cualquier momento se puede realizar un vuelo con el avión y obtener un mapa del terreno.

La última aplicación de la cual hablaremos es la de detección de velocidades. Aprovechando el efecto Doppler se puede medir la velocidad que lleva un objeto. El efecto Doppler consiste en la variación de frecuencia que experimenta una onda cuando rebota en un objeto en movimiento. Las principales ventajas de los LIDAR frente a otros sistemas es que son sumamente rápidos y que al diverger muy poco el haz se puede apuntar a un objeto muy concreto aunque a su alrededor haya otros objetos moviéndose a distintas velocidades. El ejemplo más conocido de esta aplicación lo encontramos en las pistolas láser que emplea la policía para medir la velocidad de los vehículos.

LIDAR

Agente de seguridad utilizando una pistola láser para medir la velocidad de un vehículo

Autor: ALEJANDRO MARTÍNEZ LÓPEZ.

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Imagen de entrada.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:3D-Laserscanner_on_tripod.jpg

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