LiDAR

LiDAR: mayor seguridad, eficiencia y autonomía en el vehículo

Los innovadores sensores Lidar son una tecnología clave en la industria automovilística del futuro. Numerosos procesos automatizados que son relevantes para la conducción autónoma prácticamente no podrían llevarse a cabo sin la ayuda de Lidar. Cada segundo se realizan miles de mediciones de distancias individuales a partir de entre 10 y 30 imágenes en 3D, que se agrupan generando un mapa tridimensional exacto del entorno del vehículo. De forma similar a la medición por radar, los sensores ayudan a detectar los obstáculos y a medir las distancias.

¿Qué es LiDAR? – Light Detection and Ranging

A diferencia de la medición por radar, LiDAR, como ya se puede deducir por su nombre, utiliza un procedimiento óptico para la medición.
El sensor emite rayos láser y estos se reflejan en un objeto. El sensor vuelve a recibir los rayos reflejados y estos son evaluados por un ordenador que está conectado.

Para la evaluación de los pulsos láser emitidos, existen distintos procedimientos tecnológicos.

¿Cómo funciona la tecnología LiDAR?

El método más extendido se denomina medición Time to Flight (ToF).

En este método, se emite un pulso láser infrarrojo (850 y 905 nm) y se mide el tiempo que transcurre hasta que el sensor vuelve a detectar el rayo reflejado. El desafío consiste en que las partículas infrarrojas de la misma longitud de onda que están presentes en la luz diurna afectan de forma negativa al rayo, provocando interferencias. Por este motivo, los pulsos láser están dotados de un código similar al código morse. Tan solo se evalúan las señales recibidas que tengan el mismo código.
Independientemente de ello, el rayo láser debe tener una potencia lumínica muy elevada para que el pulso emitido no desaparezca entre interferencias en caso de grandes distancias. Sin embargo, la potencia de emisión debe limitarse para proteger los ojos de las personas, por lo que el alcance del procedimiento ToF es limitado. El objetivo es detectar coches con pintura negra a una distancia de 200 metros. Actualmente, el alcance es de unos 80-100 metros como máximo.
Para determinar la velocidad de las personas u objetos en movimiento, este método requiere realizar varias mediciones. Hoy en día se está trabajando en el desarrollo de algoritmos (proceso FireFly) para aumentar el alcance del método ToF.

El proceso FireFly se basa en pruebas de hipótesis que en señales disipadas, con la ayuda de patrones de movimiento de los píxeles, determinan cuáles son realistas y cuáles no. Esto significa que solo los puntos de medición «auténticos» se comportan según los límites de la física, por lo que es posible excluir los puntos de medición «falsos».

Un procedimiento posterior es el método Frequency Modulated Continous Wave (FMCW). FMCW ya se conoce por la tecnología de radar, pero aún no está disponible actualmente en serie.

Con el método FMCW, el rayo láser emitido (1550 nm) se modula de forma continua y se cambia su frecuencia (chirp). Esto significa que la frecuencia de la señal se aumenta y se reduce periódicamente. Si el rayo láser incide sobre un objeto, se refleja en él. Debido al tiempo transcurrido y al cambio periódico de la frecuencia, la frecuencia del rayo recibido varía con respecto al que se acaba de emitir. La diferencia de estas dos frecuencias es proporcional a la distancia y, por tanto, permite deducir la distancia al objeto. Si el objeto se mueve, se produce un desplazamiento adicional de la frecuencia debido al efecto Doppler. De esta forma es posible determinar también la velocidad del objeto.

Los sistemas con una longitud de onda de 1550 nm (FMCW-LiDAR) son más resistentes frente a la radiación solar y pueden trabajar con una potencia lumínica considerablemente inferior, dañando menos los ojos (son 40 veces más seguros para los ojos). Los sistemas FMCW-LiDAR ofrecen además una mayor resolución que los ToF-LiDAR.

Sensores LiDAR

Los primeros sensores LiDAR eran muy caros (más de 10 000 €) y muy complejos desde el punto de vista mecánico. Por lo tanto, realmente se cuestionaba si podrían integrarse en la producción en serie de vehículos. Los espejos giratorios desviaban el rayo láser línea a línea en la dirección deseada, como en un escáner. El sistema mecánico necesario para ello es muy grande y complicado, y requiere la máxima precisión para las piezas en rotación.
Además, estos escáneres son muy sensibles a la vibración y los impactos. Únicamente cuando se desarrollaron los sensores denominados Solid State, que funcionan sin componentes mecánicos, pareció que se abría el camino hacia los vehículos de fabricación en serie. En el futuro, los precios oscilarán en el rango de tres cifras,
y se fabricarán campos de sensores, algunos de tamaño tarjeta, y emisores y receptores para unas 80 líneas, con más de 100 puntos por línea. De este modo será posible registrar 25 imágenes por segundo.
Si se colocan varios de estos sensores estratégicamente en el vehículo, es posible obtener una vista de 360º.

Ventajas e inconvenientes de los sensores LiDAR

Los sensores LiDAR son capaces de generar un mapa tridimensional completo del entorno del vehículo.
Este mapa no deja lugar a la interpretación y produce datos reales en 3D.
Con LiDAR es posible determinar con gran precisión las distancias y las velocidades de los objetos.

Sin embargo, los sensores LiDAR tienen dos inconvenientes importantes:

• No son capaces de detectar los colores, lo cual imposibilita la lectura de las señales de tráfico.
• Dan problemas en caso de niebla: con el aire húmedo, el láser infrarrojo no es capaz de proporcionar datos fiables.

Sensores LiDAR

Los sensores LiDAR son un componente fundamental para implantar la conducción autónoma y para hacerla más segura.
Sin embargo, en la práctica también existen desventajas significativas de esta tecnología. La mayoría de fabricantes de vehículos coinciden en que, para que un coche pueda utilizarse de forma autónoma en el futuro, incluso en tramos difíciles, será necesaria la combinación de LiDAR, radar, tecnología de cámaras y GPS (Sensor Fusion).