Que es lidar y como funciona

Los autos sin conductor, que fueron una de las mayores fantasías tecnológicas de la década de 1990 (impulsada por películas anteriores como "The Love Bug" y "Demolition Man"), son una realidad hoy, gracias al gran avance realizado en torno a varias tecnologías, especialmente LIDAR.

¿Qué es LiDAR?

LIDAR (siglas de Light Detection and Ranging) es una tecnología de alcance que mide la distancia de un objeto disparando rayos de luz al objeto y usa el tiempo y la longitud de onda del haz de luz reflejado para estimar la distancia y en algunas aplicaciones (láser Imaging), cree una representación 3D del Objeto.

Si bien la idea detrás del láser se remonta al trabajo de EH Synge en 1930, no existió hasta principios de la década de 1960, después de la invención del láser. Esencialmente una combinación de imágenes enfocadas por láser con la capacidad de calcular distancias usando la técnica de tiempo de vuelo, encontró sus primeras aplicaciones en Meteorología, donde se usó para medir nubes, y en el Espacio, donde se usó un altímetro láser para mapear el superficie de la luna durante la misión Apolo 15. Desde entonces, la tecnología ha mejorado y se ha utilizado en diversas aplicaciones que incluyen; detección de actividades sísmicas, oceanografía, arqueología y navegación por mencionar algunas.

¿Cómo funciona LiDAR?

La tecnología es bastante similar a la de RADAR (navegación por ondas de radio utilizada por barcos y aviones) y SONAR (detección de objetos bajo el agua y navegación mediante sonido, principalmente utilizada por submarinos) que utilizan el principio de reflexión de ondas para la detección de objetos y la distancia. Estimacion. Sin embargo, mientras que RADAR se basa en ondas de radio y SONAR se basa en sonidos, LIDAR se basa en rayos de luz (láser).

LIDAR utiliza luz en diferentes longitudes de onda que incluyen; luz ultravioleta, visible o infrarroja cercana para obtener imágenes de objetos y, como tal, es capaz de detectar todo tipo de composiciones de materiales, incluyendo; no metales, rocas, lluvia, compuestos químicos, aerosoles, nubes e incluso moléculas individuales. Los sistemas LIDAR podrían disparar hasta 1.000.000 de pulsos de luz por segundo y utilizar el tiempo necesario para que los pulsos se reflejen en el escáner para determinar la distancia a la que se encuentran los objetos y las superficies alrededor del escáner. La técnica utilizada para la determinación de la distancia se conoce como tiempo de vuelo y su ecuación se da a continuación.

Distancia = (Velocidad de la luz x Tiempo de vuelo) / 2

En la mayoría de las aplicaciones, además de la medición a distancia, se crea un mapa 3D del entorno / objeto en el que se disparó el haz de luz. Esto se hace mediante el disparo continuo del rayo láser al objeto o entorno.

Es importante señalar que, a diferencia de la reflexión de tipo especular que se puede obtener en los espejos planos, la reflexión experimentada en los sistemas LIDAR es una reflexión de retrodispersión a medida que las ondas de luz se difunden a través de la dirección en la que vinieron. Dependiendo de la aplicación, los sistemas LIDAR utilizan diferentes variaciones de retrodispersión, incluida la dispersión Rayleigh y Raman,

Componentes de un sistema LIDAR

Un sistema LIDAR normalmente consta de 5 elementos que se espera que estén presentes independientemente de las variaciones debidas a la aplicación. Estos componentes principales incluyen:

Láser
Escáneres y sistema óptico
Procesador
Electrónica de sincronización precisa
Unidad de medida inercial y GPS

1. Láser

El láser sirve como fuente de energía para los pulsos de luz. La longitud de onda del láser desplegado en los sistemas LIDAR difiere de una aplicación a otra debido a los requisitos específicos de determinadas aplicaciones. Por ejemplo, los sistemas Airborne LiDAR utilizan láseres YAG bombeados por diodos de 1064 nm, mientras que los sistemas batimétricos utilizan láseres YAG bombeados por diodos dobles de 532 nm que penetran en el agua (hasta 40 metros) con mucha menos atenuación que la versión aérea de 1064 nm. Sin embargo, independientemente de las aplicaciones, los láseres utilizados suelen ser de baja energía para garantizar la seguridad.

2. Escáner y óptica

Los escáneres son una parte importante de cualquier sistema LIDAR. Son los encargados de proyectar pulsos láser a las superficies y recibir de vuelta los pulsos reflejados desde la superficie. La velocidad a la que se desarrollan las imágenes mediante un sistema LIDAR depende de la velocidad a la que los escáneres capturan los haces retrodispersados. Independientemente de la aplicación, la óptica utilizada en un sistema LIDAR debe ser de alta precisión y calidad para obtener los mejores resultados, especialmente para el mapeo. El tipo de lentes, la elección de vidrio específico, junto con los recubrimientos ópticos utilizados son los principales determinantes de la resolución y las capacidades de rango del LIDAR.

Dependiendo de la aplicación, se pueden implementar una variedad de métodos de escaneo para diferentes resoluciones. El escaneo de acimut y elevación y el escaneo de doble eje son algunos de los métodos de escaneo más populares.

3. Procesadores

Un procesador de alta capacidad suele estar en el corazón de cualquier sistema LIDAR. Se utiliza para sincronizar y coordinar las actividades de todos los componentes individuales del sistema LIDAR, asegurando que todos los componentes estén funcionando cuando deberían. El procesador integra los datos del escáner, el temporizador (si no está integrado en el subsistema de procesamiento), el GPS y la IMU para producir los datos del punto LIDAR. Estos datos de puntos de elevación se utilizan para crear mapas según la aplicación. En los coches sin conductor, los datos de puntos se utilizan para proporcionar un mapa en tiempo real del entorno para ayudar a los coches a evitar obstáculos y navegar en general.

Con la luz viajando a una velocidad de alrededor de 0,3 metros por nanosegundo y miles de haces reflejados generalmente de regreso al escáner, el procesador generalmente debe ser de alta velocidad con altas capacidades de procesamiento. Por lo tanto, los avances en el poder de procesamiento de los elementos informáticos ha sido uno de los principales impulsores de la tecnología LIDAR.

4. Electrónica de sincronización

La sincronización precisa es esencial en los sistemas LIDAR, ya que toda la operación se construye a tiempo. La electrónica de sincronización representa el subsistema LIDAR que registra la hora exacta en que sale un pulso láser y la hora exacta en que regresa al escáner.

Su precisión y exactitud no se puede enfatizar demasiado. Debido a la reflexión dispersa, los pulsos enviados generalmente tienen múltiples retornos, cada uno de los cuales debe sincronizarse con precisión para garantizar la precisión de los datos.

5. Unidad de medida inercial y GPS

Cuando un sensor LiDAR se monta en una plataforma móvil como satélites, aviones o automóviles, es necesario determinar la posición absoluta y la orientación del sensor para retener los datos utilizables. Esto se logra mediante el uso de un sistema de medición inercial (IMU) y un sistema de posicionamiento global (GPS). La IMU generalmente consta de un acelerómetro, un giroscopio y un magnetómetro para medir la velocidad, la orientación y las fuerzas gravitacionales, que combinadas se utilizan para determinar la orientación angular (cabeceo, balanceo y guiñada) del escáner con respecto al suelo. El GPS, por otro lado, proporciona información geográfica precisa sobre la posición del sensor, lo que permite una georreferenciación directa de los puntos del objeto.Estos dos componentes proporcionan el método para traducir los datos del sensor en puntos estáticos para su uso en una variedad de sistemas.

La información adicional obtenida mediante el GPS y la IMU es crucial para la integridad de los datos adquiridos y ayuda a garantizar que la distancia a las superficies se calcule correctamente, especialmente en aplicaciones LIDAR móviles como vehículos autónomos y sistemas de imagen basados en Air Plane.

Tipos de LiDAR

Si bien los sistemas LIDAR se pueden clasificar en tipos basados en una gran cantidad de factores, existen tres tipos genéricos de sistemas LIDAR que son;

Telémetro LIDAR
Absorción diferencial LIDAR
LIDAR Doppler

1. Telémetro LIDAR

Estos son los sistemas LIDAR más simples. Se utilizan para determinar la distancia desde el escáner LIDAR a un objeto o superficie. Al utilizar el principio de tiempo de vuelo descrito en la sección "cómo funciona", el tiempo que tarda el haz de reflexión en llegar al escáner se utiliza para determinar la distancia entre el sistema LIDAR y el objeto.

2. LIDAR de absorción diferencial

Los sistemas LIDAR de absorción diferencial (a veces denominados DIAL) se utilizan habitualmente en la investigación de la presencia de determinadas moléculas o materiales. Los sistemas DIAL generalmente disparan rayos láser de dos longitudes de onda que se seleccionan de tal manera que una de las longitudes de onda será absorbida por la molécula de interés mientras que la otra longitud de onda no lo será. La absorción de uno de los haces da como resultado una diferencia (absorción diferencial) en la intensidad de los haces de retorno recibidos por el escáner. Esta diferencia se usa luego para deducir el nivel de presencia de la molécula que se investiga. DIAL se ha utilizado para medir concentraciones químicas (como ozono, vapor de agua, contaminantes) en la atmósfera.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR se utiliza para medir la velocidad de un objetivo. Cuando los rayos de luz disparados desde el LIDAR golpean un objetivo que se acerca o se aleja del LIDAR, la longitud de onda de la luz reflejada / dispersa del objetivo cambiará ligeramente. Esto se conoce como desplazamiento Doppler, como resultado, Doppler LiDAR. Si el objetivo se está alejando del LiDAR, la luz de retorno tendrá una longitud de onda más larga (a veces denominada desplazamiento hacia el rojo), si se mueve hacia el LiDAR, la luz de retorno tendrá una longitud de onda más corta (desplazamiento hacia el azul).

Algunas de las otras clasificaciones en las que se agrupan los sistemas LIDAR en tipos incluyen:

Plataforma
Tipo de retrodispersión

Tipos de LiDAR basados en plataforma

Usando la plataforma como criterio, los sistemas LIDAR se pueden agrupar en cuatro tipos que incluyen;

LIDAR terrestre
LIDAR aerotransportado
LIDAR espacial
Movimiento LIDAR

Estos LIDAR difieren en construcción, materiales, longitud de onda, perspectiva y otros factores que generalmente se seleccionan para adaptarse a lo que funciona en el entorno para el que se implementarán.

Tipos de LIDAR según el tipo de retrodispersión

Durante mi descripción de cómo funcionan los sistemas LIDAR, mencioné que la reflexión en LIDAR se realiza mediante retrodispersión. Diferentes tipos de salidas de retrodispersión y, a veces, se utilizan para describir el tipo de LIDAR. Los tipos de retrodispersión incluyen;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescencia

Aplicaciones de LiDAR

Debido a su extrema precisión y flexibilidad, LIDAR tiene un amplio número de aplicaciones, en particular, la producción de mapas de alta resolución. Además de la topografía, LIDAR se ha utilizado en agricultura, arqueología y en robots, ya que actualmente es uno de los principales habilitadores de la carrera de vehículos autónomos, siendo el sensor principal utilizado en la mayoría de los vehículos con el sistema LIDAR desempeñando una función similar a la de los ojos para los vehículos.

Hay cientos de otras aplicaciones de LiDAR e intentaremos mencionar tantas como sea posible a continuación.

Vehículos autónomos
Imágenes 3D
Estudio de la tierra
Inspección de líneas eléctricas
Gestión de Turismo y Parques
Evaluación ambiental para la protección forestal
Modelado de inundaciones
Clasificación ecológica y de tierras
Modelado de contaminación
Exploración de petróleo y gas
Meteorología
Oceanografía
Todo tipo de aplicaciones militares
Planificación de la red celular
Astronomía

Limitaciones de LiDAR

LIDAR, como cualquier otra tecnología, tiene sus defectos. El alcance y la precisión de los sistemas LIDAR se ven gravemente afectados por las malas condiciones meteorológicas. Por ejemplo, en condiciones de niebla, se genera una cantidad significativa de señales falsas debido a que los rayos se reflejan en la niebla. Esto generalmente conduce al efecto de dispersión mie y, como tal, la mayor parte del rayo disparado no regresa al escáner. Algo similar ocurre con la lluvia, ya que las partículas de lluvia provocan retornos falsos.

Aparte del clima, los sistemas LIDAR pueden ser engañados (ya sea de manera deliberada o indebida) para pensar que un objeto existe al encender "luces" en él. Según un artículo publicado en 2015, el destello de un simple puntero láser en el sistema LIDAR montado en vehículos autónomos podría desorientar los sistemas de navegación del vehículo, dando la impresión de la existencia de un objeto donde no lo hay. Esta falla, especialmente en la aplicación de láseres en automóviles sin conductor, genera muchos problemas de seguridad, ya que los ladrones de automóviles no tardarán en perfeccionar el principio para su uso en ataques. También podría provocar accidentes con automóviles que se detienen repentinamente en medio de la carretera si detectan lo que creen que es otro automóvil o un peatón.

Ventajas y desventajas de LiDAR

Para concluir este artículo, probablemente deberíamos analizar las razones por las que su LIDAR podría ser una buena opción para su proyecto y las razones por las que probablemente debería evitarlo.

Ventajas

1. Adquisición de datos precisa y de alta velocidad

2. Alta penetración

3. No le afecta la intensidad de la luz de su entorno y se puede utilizar de noche o al sol.

4. Imágenes de alta resolución en comparación con otros métodos.

5. Sin distorsiones geométricas

6. Se integra fácilmente con otros métodos de adquisición de datos.

7. LIDAR tiene una dependencia humana mínima, lo cual es bueno en ciertas aplicaciones donde el error humano podría afectar la confiabilidad de los datos.

Desventajas

1. El costo de LIDAR hace que sea excesivo para ciertos proyectos. LIDAR se describe mejor como relativamente caro.

2. Los sistemas LIDAR funcionan mal en condiciones de lluvia intensa, niebla o nieve.

3. Los sistemas LIDAR generan grandes conjuntos de datos que requieren altos recursos computacionales para procesar.

4. No confiable en aplicaciones de agua turbulenta.

5. Dependiendo de la longitud de onda adoptada, el rendimiento de los sistemas LIDAR es de altitud limitada, ya que los pulsos disparados en cierto tipo de LIDAR se vuelven ineficaces a ciertas altitudes.

LIDAR para aficionados y creadores

Debido al costo de los LIDAR, la mayoría de los sistemas LIDAR del mercado (como los LIDAR velodyne) se utilizan en aplicaciones industriales (para unir todas las aplicaciones "no aficionadas").

El sistema LIDAR más cercano al “grado de aficionado” disponible en este momento son los sensores LiDAR de estado sólido iLidar diseñados por Hybo. Es un pequeño sistema LiDAR capaz de realizar mapeos en 3D (sin girar el sensor) con un alcance máximo efectivo de 6 metros. El sensor está equipado con un puerto USB junto con un puerto UART / SPI / i2C a través del cual se puede establecer la comunicación entre el sensor y un microcontrolador.

iLidar fue diseñado para adaptarse a todos y las características asociadas con LiDAR lo hacen atractivo para los fabricantes.