What is LiDAR? A powerful technology explained

¿Qué es el LiDAR?

En OXTS trabajamos a menudo con LiDAR. Pero, ¿qué es LiDAR?

LiDAR, o Light Detection and Ranging para darle su nombre completo, es un método de medición de la distancia a objetos alrededor del dispositivo LiDAR.

Funciona de forma análoga al radar, de ahí la similitud en el nombre, pero utiliza láseres en lugar de ondas de radio. Los láseres suelen trabajar con longitudes de onda mucho más pequeñas que las ondas de radio (~5 cm en el radar), lo que da al LiDAR la clara ventaja de una mayor resolución. Se pueden detectar detalles más precisos. La utilización de láseres también permite aprovechar los enormes avances de la tecnología láser, lo que nos proporciona una tecnología muy potente en paquetes pequeños y asequibles. Desgraciadamente, esto también significa que el rango de eficacia y penetración de LiDAR es muy inferior a la de Radar.

¿Qué es el LiDAR? La función básica del LiDAR

La función básica del LiDAR es emitir impulsos láser desde el dispositivo que luego chocan contra un objeto, se reflejan y son registrados por el dispositivo cuando regresan.

Gracias a una información temporal precisa, el aparato conoce el tiempo de vuelo del haz entre su emisión y su recepción y calcula la distancia al objeto utilizando el tiempo y la velocidad invariable de la luz. Si el aparato conoce el ángulo del impulso en el plano horizontal y vertical y la distancia al objeto, tiene todo lo necesario para construir una imagen 3D en coordenadas esféricas. Esto significa que cada punto medido tendrá su posición 3D conocida con respecto al marco de coordenadas LiDAR, su tiempo de registro y la intensidad del haz reflejado.

Esto permite al LiDAR cartografiar su entorno inmediato. Cuantos más pulsos láser se envíen, más eficaz será el sistema. Muchos dispositivos LiDAR tienen canales fijos de rayos láser que construyen una imagen 3D en "rebanadas" del área circundante, siendo cada rebanada una superficie cónica del LiDAR. Esto se puede ver en la siguiente captura de pantalla tomada del software de visualización de Velodyne. El LiDAR VLP16 tiene 16 canales láser, lo que se puede ver cuando el dispositivo está parado por sus 16 "rebanadas" del entorno. Otros tienen formas inteligentes de variar las direcciones de los haces para rellenar los huecos. Otros LiDAR utilizan un único canal para cartografiar el espacio tridimensional.

¿Qué es el LiDAR? Los distintos tipos de sensores LiDAR

Existen muchos tipos diferentes de LiDAR que abarcan una amplia gama de aplicaciones, prestaciones y características físicas. Utilizando un láser, un espejo y una rotación mecánica, los canales láser cartografían el entorno tridimensional. En el diagrama siguiente, extraído del manual del Hesai XT, se puede ver cómo el láser interior se divide para dar lugar a 32 canales láser que se emiten fuera del dispositivo. Cada uno de ellos tiene un ángulo de elevación fijo. La rotación mecánica hace girar los canales en el plano horizontal para cubrir un área tridimensional.

LiDAR de estado sólido

Otra forma de tecnología LiDAR cada vez más común es el LiDAR de estado sólido.

Esta tecnología está llevando el LiDAR de alta precisión sin piezas móviles a un coste mucho menor. El LiDAR de estado sólido no tiene piezas móviles, ya que utiliza chips de silicio impresos, lo que hace que la producción sea perfecta para escalar y que los dispositivos sean muy robustos. Es probable que estos LiDAR se encuentren en toda una serie de sistemas en un futuro próximo. En OXTS estamos interesados en el uso de LiDAR de estado sólido, sobre todo en el sector de la automoción, donde se utiliza para proporcionar datos de sensores a los sistemas de conducción autónoma.

Combinamos LiDAR con datos de navegación para uno de sus principales usos, la topografía cartográfica móvil. Se necesitan datos de navegación muy precisos para combinarlos con LiDAR y alcanzar el nivel de precisión del que es capaz. Si la precisión del LiDAR es milimétrica o centimétrica, los datos de navegación también deben serlo. Esto convierte a menudo al dispositivo de navegación en el cuello de botella de los errores dentro del sistema total. Para obtener datos de nubes de puntos LiDAR de calidad topográfica se requiere un INS de calidad topográfica con una potente IMU y tecnología de receptor GNSS, estrechamente combinados en un filtro de Kalman. Los datos de navegación permiten combinar los fotogramas de LiDAR en una nube de puntos postprocesada y utilizable.

La precisión y densidad de los datos LiDAR los hacen útiles para un gran número de aplicaciones topográficas.

Los aviones pueden transportar LiDAR para estudios geográficos de larga base y los multicópteros UAV pueden transportar LiDAR para estudios muy precisos de carreteras o edificios. Los datos LiDAR también pueden combinarse con datos de cámaras para dar más dimensiones a una nube de puntos, como los datos RGB necesarios para crear modelos gemelos digitales realistas de puntos de referencia del mundo real. Los usos del LiDAR son tan variados y sus aplicaciones tan amplias que se está convirtiendo rápidamente en la principal tecnología de sensores topográficos.