Introducción a la tecnología LiDAR
La medición y detección de objetos mediante luz (LiDAR) es un método establecido de tecnología de detección remota con un potencial prometedor para ayudar a mapear, monitorizar y evaluar superficies y objetos. La tecnología LiDAR permite a los científicos y profesionales examinar con precisión y flexibilidad los entornos naturales y creados por los humanos.
La última década ha sido testigo de un gran avance de la tecnología LiDAR que ha llegado a reemplazar técnicas de inspección convencionales en diversos dominios. LiDAR se usa comúnmente para crear mapas de alta resolución, con aplicaciones en inspección, arqueología, geografía, sismología, silvicultura y física atmosférica. Además se usa en control y navegación para coches autónomos y robots. Este artículo explica los fundamentos de la tecnología LiDAR, los principios de funcionamiento de los sensores LiDAR y algunos ejemplos del uso rutinario de LiDAR.
Qué es LiDAR
LiDAR, también conocido como LADAR o altimetría láser, es una tecnología de detección óptica que emite haces de luz enfocados intensos de energía láser pulsada y mide el tiempo que se demoran los reflejos en ser detectados por el sensor. Esta información se usa para computar los alcances o las distancias a los objetos. En este sentido, LiDAR es análoga al RADAR (radiodetección y medición), pero se basa en pulsos discretos de luz láser y no en ondas de radio. Un sistema LIDAR genera un mapa preciso en 2D o 3D del entorno y los objetos, enviando estos pulsos de luz. El otro aspecto de LiDAR es que también puede determinar las características ópticas de un objeto, como la reflectividad y la absorción. Esto a la larga ofrece datos materiales sobre un objeto y su distancia, lo que hace que esta tecnología sea perfecta para trazar mapas.
Figura 1: Modelos en 3D mapeados con láser de LiDAR del National TreeMap del Reino Unido (datos de Bluesky)
Los sistemas LiDAR son sistemas activos, ya que emiten pulsos de luz y detectan la luz reflejada. Muchos sistemas LiDAR funcionan en la región de infrarrojo cercano (p.ej.,1064 nm) del espectro electromagnético, aunque algunos sensores también funcionan en la banda verde para penetrar agua y detectar las características del fondo. LiDAR es una tecnología de detección de alcance relativamente corto. La mayoría de los sensores LiDAR comerciales detecta hasta 100 metros y los más avanzados llegan a los 200 metros.
La tecnología LiDAR ofrece excelentes resultados de precisión y consistencia. La tecnología ha reemplazado varias otras tecnologías y sensores que no son lo suficientemente precisos en la detección y el encapsulado de los datos. LiDAR es una tecnología viable para diversos desafíos, como escanear entre objetos. Ofrece un método rápido, preciso y directo de mapeo mientras que produce datos precisos y fáciles de analizar. En aplicaciones de movilidad que exigen alta precisión y fiabilidad, la tecnología LiDAR está ganando popularidad rápidamente. El rendimiento sólido de LiDAR, su largo alcance y precisión de distancia de unos pocos centímetros le permite detectar objetos rápidamente a una resolución extremadamente alta y abarcar con uniformidad áreas muy extendidas.
Cómo funciona el LiDAR
El sistema LIDAR incorpora un dispositivo láser, una unidad de medida inercial de navegación (IMU), un sistema de posicionamiento global aéreo de alta precisión (GPS), y una interfaz de ordenador. La tecnología usa luz ultravioleta, visible, o infrarroja cercana para crear imágenes de los objetos. El láser emite pulsos de luz y detecta la luz reflejada por los objetos. El sensor mide el tiempo que transcurre entre la emisión y el retorno del pulso láser y calcula la distancia recorrida. La distancia recorrida luego se convierte en elevación. Estas medidas se realizan usando componentes clave del sistema LiDAR, como un GPS que identifica la ubicación X, Y y Z de la energía lumínica y una IMU que imparte la orientación. Este proceso también se conoce como medida de "Tiempo de vuelo" (ToF) (Figura 2). Los sistemas LiDAR modernos son lo suficientemente potentes para disparar hasta 900 000 pulsos por segundo.
La distancia del objeto = la velocidad de la luz x el tiempo de vuelo/ 2
Figura 2a: Diagrama de bloques de la tecnología LiDAR
Un LiDAR replica este proceso un millón de veces por segundo y resume los resultados en un sistema de mapa 3D de alta definición. Este mapa 3D contiene datos fáciles de analizar que se usan para tomar decisiones. Un sistema LiDAR mide el tiempo que transcurre entre la emisión de la luz y su retorno.
Figura 2b: Medición de distancias en sistemas LiDAR
Aplicaciones de LiDAR
LiDAR se ha usado históricamente tanto en tierra como en el aire. Estos usos se prestan para tres tipos principales de sistemas LiDAR: aéreos, terrestres y satelitales. El LiDAR aéreo se usa en helicópteros o drones para recolección de datos. El LiDAR terrestre se instala en vehículos en movimiento o en trípodes estáticos. Estos tipos de sistemas LiDAR son perfectos para modelado y observación de topografía estática. Las plataformas de LiDAR satelital o espacial se montan en satélites que orbitan la Tierra y suelen abarcar grandes áreas pero con menos detalles.
La tecnología LiDAR, con su capacidad única para ofrecer detección y medición fiables con alta resolución y precisión, se usa en diversos sectores y aplicaciones. La tecnología ha tenido exitosos estudios de caso en inspecciones, arqueología, silvicultura, batimetría, biología y conservación, atmósfera, minería, geología y optimización de parques eólicos. Las áreas de aplicación de LiDAR se han ampliado con los avances en otras ramas de la ciencia y la tecnología y se usan para lograr numerosos objetivos de desarrollo, entre los cuales están:
LiDAR para la realidad aumentada:
Un escáner LiDAR ofrece mapeo en 3D muy detallado, lo que permite a los sistemas de realidad aumentada sobreponer los datos encima de un mapa preciso y fiable. Un escáner de nubes de puntos creado con LiDAR mejora la precisión de las experiencias de realidad aumentada.
LiDAR desde el espacio:
Los sistemas LiDAR evolucionan para varias aplicaciones espaciales donde se necesitan imágenes para identificar lugares seguros de descenso para los vehículos. Los satélites con tecnología LiDAR también inspeccionan, mapean y generan modelos de pronóstico climático en la Tierra y en otros cuerpos celestes.
LiDAR para coches autónomos:
La tecnología LiDAR es una solución conveniente para hacer posible detectar y esquivar obstáculos, y navegar diversos entornos en varios vehículos. La tecnología está implementada en muchas aplicaciones cruciales de automoción y movilidad, como Sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y conducción autónoma.
LiDAR y el IoT:
Ciertas facetas del LiDAR lo hacen particularmente útil en aplicaciones específicas del Internet de las cosas (IoT). Las soluciones LiDAR desempeñan un papel central en la realización del potencial del IoT aumentando la seguridad, productividad y eficiencia a lo largo de una variedad de aplicaciones para ciudades inteligentes, infraestructura, agricultura, medicina y ventas, entre otras
LiDAR para la impresión en 3D:
Ya es posible crear objetos impresos en 3D mediante el modelado fotográfico. Con LiDAR, se pueden abstraer muchos más datos detallados de modelado para proyectos de impresión en 3D más interesantes.
ON Semiconductors ha presentado una solución de detección y medición de luz (LiDAR) por tiempo de vuelo directo (dToF) de punto único, el kit de desarrollo SECO- RANGEFINDER-GEVK con la potencia de la tecnología de fotomultiplicador de silicio (SiPM). La tecnología SiPM que usa el aparato ayuda a ofrecer plazos de respuesta más cortos y alta eficiencia de detección, lo que a su vez ayuda a superar las dificultades de las soluciones tradicionales basadas en fotodiodos.
Figura 3: Kit de desarrollo de detección y medición por luz dToF de ON Semiconductor
El dispositivo está diseñado con el diodo láser de infrarrojos cercanos, sensor SiPM, ópticos y procesamiento digital necesario para convertir las señales detectadas en el tiempo transcurrido y posteriormente el tiempo transcurrido en la distancia. Los histogramas generados hacen que el dispositivo sea apto para diversas aplicaciones, como determinación de rangos, detección de colisiones y mapeado 3D. La plataforma LiDAR dToF SiPM puede detectar objetos a distancias entre 10 cm y 23 m , y está lista para funcionar con una GUI dedicada.
Dado el sinfín de ventajas, las tecnologías y los mercados LiDAR siguen avanzando rápidamente. LiDAR ha comprobado ser invaluable, y el crecimiento en diversas áreas aumentará cada vez más la disponibilidad de estos sensores en los años venideros. Ofrece ventajas de rendimiento sobresalientes en comparación con otras tecnologías, y es solo cuestión de tiempo para que el LiDAR se convierta en el sensor predilecto para la mayoría de los sectores.
