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En la actualidad, casi todos nuestros dispositivos son capaces de relacionarse con todo aquello que los rodea y entre sí. Puede ser a través de internet, o mediante sensores que detectan lo que sucede a su alrededor. 

Estos últimos son los conocidos como sistemas de percepción. Su actividad se centra en la creación de inferencias a partir de los factores del medio que rodea a un receptor de información. En este caso, nos referimos a sensores artificiales que pueden medir características del lugar en el que se encuentran; pueden usarse bien para informar o bien para aplicarlos a algún tipo de actividad

Algunos sistemas de percepción populares.

Al hablar de ellos, es extraño no pensar en el radar como uno de los culpables de su expansión en la actualidad. El desarrollo de este sistema comienza a principios del siglo XX, siendo potenciado por los conflictos bélicos que sacuden Europa durante las décadas de 1930 y 1940.

Fig 1. Cockpit de una aeronave que equipa radar.

Se partía de la reflexión de las ondas electromagnéticas sobre superficies metálicas, demostrada por Hertz en 1886. El objetivo: poder detectar objetos en un entorno mediante la emisión de ondas de radio, que posteriormente serían reflejada en los mismos y devueltas a su origen. 

En pocas palabras, un radar consiste en un emisor de ondas de radio y un receptor de estas. En función del tiempo que tarda la onda en pasar del emisor al receptor, y de la dirección de la que proviene, se puede conocer la posición del objeto detectado. 

Por otra parte, y hacia la misma época, surge un sistema alternativo con una premisa y un propósito similares. Sin embargo, usaría ondas sonoras en frecuencias superiores al espectro audible para su cometido. Recibió el nombre de sonar, y su aplicación principal está ligada a la navegación (posiblemente debido a su aplicación en la detección de submarinos o por ser registrada su patente poco después del hundimiento del Titanic). También se usa para comunicarse bajo el agua. 

Fig 2. Barco usando un sensor de sonar para analizar el fondo marino

Sin lugar a duda, ambos supusieron un gran avance tecnológico a comienzos del siglo pasado. Aún hoy en día gozan de una amplia popularidad, el primero en meteorología y el segundo en navegación, entre otros usos. Sin embargo, el continuo avance tecnológico ha permitido que, tras décadas de investigación, su “nieto” esté revolucionando la forma en que los dispositivos perciben el entorno. Hablamos del LIDAR. 

¿Qué es LIDAR?

El LIDAR es un sistema de percepción cuya actividad está basada en la emisión y detección de luz. Su nombre es el acrónimo de (Light Ranging and Detection). Grosso modo, los dispositivos basados en esta tecnología emiten pulsos de luz láser infrarroja que, al ser recibida por el aparato, tras su reflexión, permite conocer la posición en el espacio de un punto de aquello en lo que refleje.

Fig 3. Sensor LIDAR sobre trípode

A priori, es exactamente lo mismo que hacen tanto el radar como el sonar, aunque con pulsos de luz. Sin embargo, existen dos diferencias notables respecto a ellos:

  • El haz de luz presenta una anchura mucho menor que el de ondas de radio o sonoras. Esto hace que la onda se disperse menos, aumentando la precisión con la que se trabaja. 
  • La velocidad de la luz en el aire es superior a la velocidad de transmisión del sonido. Así, es posible realizar un mayor número de mediciones en el mismo periodo de tiempo con respecto al sonar.

Esto, en definitiva, permite crear una nube de puntos en el espacio, en la que cada punto representa la posición de un punto de un objeto del espacio que rodea al dispositivo LIDAR. La nube muestra, de forma discreta, la disposición en el espacio de todos los objetos a los que pertenecen dichos puntos. 

Además, al haber aumentado el número de mediciones por unidad de tiempo podemos realizar un mejor monitoreo de la zona a analizar. De esta forma, conseguimos un sistema que puede comprobar continuamente el comportamiento en términos espaciales de su entorno. 

Los aparatos usados actualmente permiten, en el mejor de los casos, detectar más de dos millones de puntos por segundo, con errores del orden de unos pocos centímetros. Además, es posible colocarlos en una posición fija o rotando 360° sobre un eje, lo cual permite un mejor análisis del entorno. Por otra parte, su alcance puede llegar a ser en torno a los 200 metros en las versiones de largo alcance. Todo ello, con un peso y unas dimensiones relativamente contenidas.Todas estas ventajas han permitido su aplicación en múltiples ámbitos de la tecnología.

Aplicaciones de LIDAR

Conducción autónoma

Quizá una de las que más ha popularizado esta tecnología durante los últimos años. La podemos encontrar ya incorporada en vehículos de calle, aunque en versiones simples y con una funcionalidad reducida.

Fig 4. Vehículo autónomo desarrollado por Uber con sensores LIDAR

La proliferación de tecnologías de seguridad que necesitan recopilar información visual de la vía, señales y demás usuarios de estas precisa la adición de diversos sensores. Esto implica el uso del LIDAR o sistemas de reconocimiento de imagen (entre los que destacan las cámaras). Sin embargo, los sensores basados en cámaras juegan en desventaja cuando aparecen condiciones de baja luminosidad.

Al usar pulsos de luz, LIDAR puede informar a los sistemas de control del vehículo con una precisión similar independientemente de las condiciones de luz. Se está incorporando en vehículos de prueba de conducción autónoma de nivel 5 (conducción autónoma total), pues resulta de gran ayuda en el monitoreo del entorno del vehículo para proceder a la circulación sin asistencia humana. El mayor escoyo al que se enfrentan los fabricantes al usarlo reside en su elevado precio. Para obtener la suficiente precisión es necesario gastar decenas de miles de euros en varios sensores que serían estratégicamente colocados en la carrocería del vehículo.

A pesar de ello, hay fabricantes que optan por el uso de esta tecnología, con sensores más baratos, para el reconocimiento de señales y de otros vehículos en el uso de funcionalidades presentes en niveles de conducción autónoma inferiores.

Cinemómetros láser

Estos dispositivos se encuentran en auge entre los distintos cuerpos de policía encargados de la regulación y control del tráfico en muchos países. Utiliza la tecnología LIDAR para conocer la velocidad de un vehículo a su paso por un tramo de carretera.

Fig 5. Agente usando un cinemómetro láser

Su principal ventaja es obvia, una mayor precisión con respecto a los cinemómetros radar. Esto es posible gracias a la menor dispersión de la luz láser en comparación con las ondas utilizadas por otros cinemómetros. Además, son capaces de realizar un gran número de mediciones de velocidad, lo cual los hace muy útiles en zonas con una alto tránsito de vehículos.

Óptica adaptativa

Esta técnica permite la corrección de perturbaciones sufridas por las imágenes astronómicas tomadas desde observatorios en la tierra, que surgen por la observación desde la atmósfera terrestre. Así, podremos corregirlas mediante la modificación de la posición del espejo del observatorio.

Fig 6. Telescopio VLT del Observatorio Europeo Austral (ESO)

Para su corrección, se analiza el frente de onda (evolvente geométrica de todos los rayos de luz que salieron al mismo tiempo de un objeto luminoso), determinando sus aberraciones. Posteriormente, se calcula cómo se debe mover el espejo para conseguir imágenes de mejor resolución espacial.

Esto ayuda a realizar análisis más detallados de la morfología de objetos en el espacio, además de poder observar mejor aquellos cuerpos cuya imagen recibida sea débil.

Topografía

LIDAR se usa como una alternativa a métodos de medición como el Modelo Digital del Terreno (MDT), permitiendo tomar datos de elevación de este para su posterior uso en procesos de contorno y generación de curvas de nivel en ortofotos digitales.

Se realizan mediciones del terreno de manera interválica, de tal forma que mediante información GPS se puede relacionar la posición del punto con su elevación. Además, permite una toma de datos muy grande (consiguiendo una nube de puntos extremadamente densa) gracias a la gran celeridad con la que se puede hacer. Los intervalos suelen ser de uno a tres metros.

Fig 7. Dron destinado a estudios de elevación del terreno.

Por otra parte, el estudio de los diversos retornos del pulso de luz en los sistemas más sofisticados aporta una información adicional muy interesante. Puede dar una base sólida en el estudio de los distintos tipos de vegetación que pueblan una zona. Además, es posible usarlo en condiciones de visibilidad donde otras tecnologías no trabajan adecuadamente, como puede ser durante la noche o con niebla.

Otros usos que merecen especial mención están relacionados con la geología y el estudio de rocas (concretamente en el estudio de macizos rocosos y cambios en taludes). También es útil en el ámbito forestal y en diversas aplicaciones de realidad aumentada (como hemos podido comprobar, por ejemplo, en el iPad Pro 2020).

Fig 8. Sensor LIDAR en el nuevo iPad Pro 2020

Christian Diego Cobos Marcos

Estudiante de Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica,

Málaga

Bibliografía

Christian Cobos Marcos
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