Sensores ADAS

Las funciones ADAS y de conducción autónoma se alimentan de un flujo continuo de información sobre el entorno que rodea al vehículo, y es tarea de los sensores proporcionarla.

El sensor debe detectar no sólo lo que el conductor ve, sino también lo que no ve o no ha visto. Ya se utilizan varios tipos de sensores, cada uno con sus propias ventajas e inconvenientes en cuanto a capacidad, coste y embalaje, y cada vez es más frecuente que se utilice más de un tipo de sensor para cada función ADAS. Cada tipo de sensor tiene puntos fuertes y débiles reconocidos, por lo que combinando distintas tecnologías es posible perfeccionar las funciones ADAS. Esta fusión de tecnologías de sensores se está convirtiendo rápidamente en la norma. La tarea consiste entonces en procesar la afluencia de datos procedentes de múltiples fuentes con precisión y rapidez.

Otro factor a tener en cuenta es la robustez y durabilidad de los sensores. Aunque algunos sensores pueden estar dentro del habitáculo del vehículo, muchos requieren un montaje externo hacia los extremos del vehículo, en zonas vulnerables como las esquinas de los parachoques y detrás de la parrilla, y estos pueden ser entornos hostiles para equipos de alta tecnología. El sector de los seguros y las reparaciones de automóviles también ha expresado su preocupación por la cuestión de la costosa sustitución o recalibración de los sensores si el vehículo sufre un accidente.

La creciente adopción de ADAS y el desarrollo en curso de vehículos autónomos están impulsando el avance de la tecnología de sensores a un ritmo acelerado. En cuanto a la detección y clasificación de objetos, muchos de los sistemas que ya se utilizan funcionan todavía a un nivel relativamente básico y queda mucho camino por recorrer antes de que la funcionalidad ADAS pueda dar el salto a las aplicaciones totalmente autónomas. Los sistemas actuales pueden, por ejemplo, tener dificultades para identificar peatones más allá de una forma muy concreta. Pueden no reconocer a una persona que lleve ropa que altere significativamente su silueta, si lleva un objeto grande o si está por debajo de cierta altura. Sin embargo, a medida que se desarrolle la tecnología, estas limitaciones se irán subsanando inevitablemente.

La tecnología actual de sensores ADAS puede dividirse en cuatro categorías principales, que veremos con un poco más de detalle.

El radar, acrónimo de "radio detection and ranging", es una tecnología bien establecida que detecta objetos midiendo el tiempo que tardan las ondas de radio transmitidas en reflejarse en los objetos que encuentran en su camino. El radar fue desarrollado simultáneamente por varias naciones para uso militar en los prolegómenos de la Segunda Guerra Mundial, pero hoy tiene muchas aplicaciones en tierra, mar, aire y espacio. El radar se utiliza en sistemas de automoción desde hace algunos años, por lo que el hardware está bien desarrollado y es relativamente asequible, lo que lo hace atractivo para los fabricantes de automóviles.

Para las aplicaciones ADAS, el radar puede dividirse en tres categorías: radar de corto alcance (SRR), radar de alcance medio (MMR) y radar de largo alcance (LRR).
Tradicionalmente, los sistemas SRR utilizaban microondas en la región de 24 GHz, pero la industria se ha inclinado por los 77 Ghz debido, entre otras cosas, al ancho de banda limitado de la frecuencia de 24 GHz y a la evolución de los requisitos normativos. Los SRR tienen un alcance útil de entre 10 y 30 metros, lo que los hace idóneos para la detección de ángulos muertos, la ayuda al cambio de carril, el aparcamiento asistido y los sistemas de vigilancia del tráfico cruzado.

Las funciones ADAS MRR y LRR ya utilizan la frecuencia de 77 GHz, que ofrece una mayor resolución (en términos relativos) y precisión en las mediciones de velocidad y distancia. El MRR funciona entre 30 y 80 metros, mientras que los sistemas LRR tienen un alcance que llega hasta los 200 metros en algunos casos, lo que los hace idóneos para sistemas como el control de crucero adaptativo, la advertencia de colisión frontal y el frenado automático de emergencia. Una de las desventajas del LRR es que su ángulo de medición disminuye con el alcance, por lo que algunas funciones, como el control de crucero adaptativo, combinan las entradas de los sensores SRR y LRR.

Además de ser una tecnología probada, el radar presenta otras ventajas clave para el uso de ADAS, como su capacidad para funcionar con eficacia en condiciones meteorológicas adversas, como lluvia, nieve y niebla, y de noche. Sus limitaciones, sin embargo, están igualmente reconocidas por el sector, a saber, que el radar no ofrece resolución suficiente para identificar qué es un objeto, sólo para decir que está ahí. También tiene un campo de visión limitado en aplicaciones de automoción, por lo que se necesitan varios sensores en el vehículo para proporcionar una cobertura adecuada. Además, el SRR que utiliza la frecuencia de 24 GHz tiene dificultades para diferenciar entre varios objetivos.

De todas las tecnologías de sensores ADAS, los ultrasonidos son la más antigua y consolidada -los murciélagos llevan utilizándolos unos 50 millones de años- y, en general, los sistemas de ultrasonidos tienen un enorme abanico de aplicaciones tanto en la industria como en la investigación científica y la medicina.

Los sensores ultrasónicos, también conocidos como transductores ultrasónicos, tienen un alcance efectivo relativamente corto, de unos 2 metros, por lo que suelen utilizarse en sistemas de baja velocidad. Su uso en sensores de aparcamiento está muy extendido desde hace tiempo, pero también se han hecho un hueco en funciones ADAS más complejas, como el aparcamiento asistido, el autoaparcamiento y algunas aplicaciones de vigilancia de ángulos muertos. Los sensores ultrasónicos son económicos y relativamente robustos y fiables, además de que no se ven afectados por la luz nocturna u otras condiciones lumínicas difíciles, como la luz solar escasa y brillante.

Sin embargo, dado el limitado alcance de los sensores ultrasónicos convencionales, algunos fabricantes los están abandonando en favor de los radares de corto alcance. Este es el caso, en particular, de los últimos sistemas de alerta de tráfico cruzado trasero/peatones, que combinan la tecnología de sensores de aparcamiento existente con la detección adicional de ángulos muertos, aunque los últimos avances en tecnología ultrasónica han permitido ampliar el alcance de algunos sensores hasta los 8-10 metros aproximadamente, lo que los hace adecuados para este tipo de aplicaciones.

El Lidar se desarrolló por primera vez en los años sesenta con fines meteorológicos, topográficos y cartográficos, pero más recientemente se ha adoptado para aplicaciones ADAS y de desarrollo de vehículos autónomos. A grandes rasgos, la industria automovilística, con la excepción de Tesla, apuesta por Lidar como la mejor solución para las aplicaciones ADAS y autónomas.

Existen dos tipos básicos de Lidar, pero ambos adoptan el mismo principio fundamental de medición de la luz láser reflejada. En el primer caso, se emite un láser pulsado sobre un espejo giratorio que irradia el haz láser en múltiples direcciones. Estos sistemas son extremadamente eficaces, con un alcance de 300 metros o más y, si se montan en el techo, ofrecen un campo de visión claro de 360°. Sin embargo, su tamaño impide utilizarlos para funciones ADAS en vehículos de serie y, además, son caros. Una variante más compacta y compatible con ADAS del mismo tema utiliza un sistemas microelectromecánicos (MEMS) para irradiar el haz láser.

El segundo tipo se conoce como Lidar de estado sólido, del que se están desarrollando un par de variantes. Una de ellas dispara un único láser a través de una matriz óptica en fase para dirigir el haz en múltiples direcciones, mientras que la otra, denominada Lidar de destello, utiliza un único pulso, o destello, de láser para crear su imagen.

Cada uno de los dos sistemas principales tiene sus ventajas e inconvenientes. El Lidar de estado sólido es preferible para el automóvil, entre otras cosas porque es más robusto, pero en ambos casos el láser emitido se refleja en los objetos dentro del alcance y es recibido por un fotodetector muy sensible, tras lo cual la información se convierte en un modelo 3D del entorno inmediato.

Es el detalle y la resolución de ese modelo 3D lo que confiere a Lidar el potencial de ser una herramienta tan poderosa. Con los algoritmos analíticos adecuados, un sistema Lidar tiene la capacidad de detectar objetos, diferenciarlos y seguirlos con precisión, todo ello en 3D de alta resolución. Lidar también funciona bien con lluvia y nieve, aunque puede verse afectado negativamente por la niebla, y su función no se ve afectada por la noche.

Históricamente, el Lidar ha sido prohibitivamente caro para su uso en aplicaciones automotrices de producción, pero poco a poco se está haciendo más común en el desarrollo de ADAS a medida que la tecnología se refina y los costes bajan. Los prototipos de coches totalmente autónomos ya utilizan los voluminosos sistemas Lidar montados en el techo, pero esta configuración es poco práctica y prohibitivamente cara para aplicaciones ADAS comerciales. Por el momento, los sistemas Lidar lo bastante compactos y asequibles como para ocultarse a la vista en los vehículos de serie tienen un alcance relativamente limitado, medido en decenas de metros en lugar de cientos, por lo que sólo son eficaces a bajas velocidades.

Tienen sus limitaciones, como la posibilidad de que su rendimiento se vea afectado por el mal tiempo y las condiciones de luz escasa o insuficiente, pero esta tecnología, aunque relativamente nueva en comparación con los sensores de radar o ultrasónicos, ya es capaz y versátil. A diferencia de los demás sensores, las cámaras son las únicas capaces de identificar información de color y contraste, lo que las hace ideales para captar información sobre señales de tráfico y marcas viales, y también ofrecen la resolución necesaria para clasificar objetos como peatones, ciclistas y motoristas. Las cámaras también son muy rentables, lo que las hace especialmente atractivas para los fabricantes de vehículos de gran volumen de ventas. Debido a las limitaciones de la tecnología, los datos de los sensores de las cámaras se combinan cada vez más con los del radar para proporcionar un flujo de datos más sólido y fiable en una mayor variedad de condiciones.

Las cámaras se utilizan en aplicaciones ADAS monoculares y, cada vez más, binoculares. Los sistemas de cámaras monoculares orientadas hacia delante se utilizan en funciones de medio y largo alcance, como la asistencia para mantenerse en el carril, la alerta de tráfico cruzado y los sistemas de reconocimiento de señales de tráfico. Las cámaras orientadas hacia atrás se han generalizado, sobre todo para ayudar al conductor a dar marcha atrás. En una pantalla montada en el salpicadero se muestra una imagen especular de la zona situada detrás del vehículo, en algunos casos aumentada con gráficos de posición relativos al movimiento del volante para proporcionar orientación a la hora de aparcar.

Las cámaras binoculares o estereoscópicas orientadas hacia delante son un desarrollo más reciente. Un par de cámaras es capaz de presentar una imagen esencialmente tridimensional que proporciona la información necesaria para calcular datos de profundidad complejos, como la distancia a un objeto en movimiento, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de control de crucero activo y alerta de colisión frontal.

Otra rama de la tecnología de cámaras que se ha afianzado en el desarrollo de ADAS es la termografía. En lugar de utilizar la luz visible, o la poca que pueda haber, las cámaras de imagen térmica son ideales para detectar personas y animales, sobre todo en condiciones de poca visibilidad o de noche, o simplemente en un entorno de conducción ajetreado y desordenado. Una vez más, la tecnología está bien establecida y se utiliza ampliamente en la industria del automóvil, apareciendo por primera vez como sistemas pasivos de visión nocturna en modelos de marcas premium hace unos 10 años.

Las cámaras termográficas tienen un alcance de hasta 300 metros más o menos y no se ven afectadas por la niebla, el polvo, el resplandor del sol bajo ni, por supuesto, la oscuridad total, por lo que tienen un valioso papel que desempeñar en el arsenal de tecnologías de sensores de los desarrolladores de ADAS.