¿Por qué utilizar un sistema de navegación inercial (INS) con un LiDAR?

La tecnología LiDAR (Light detection and ranging) es una tecnología ampliamente utilizada en la comunidad topográfica para recopilar datos topográficos tridimensionales (3D) de alta precisión. Esta descripción genérica del mecanismo de un LiDAR también se aplica a otro término comúnmente utilizado, el escaneado láser, por lo que en las siguientes descripciones estos términos se utilizarán en su mayoría indistintamente. Los sistemas LiDAR recopilan datos emitiendo muchos miles de pulsos individuales de luz por segundo y calculando el tiempo que tarda un pulso de luz en volver al sensor LiDAR. Estos pulsos de luz se emiten a lo largo de una franja, conocida como línea de barrido. Como se conoce la velocidad de la luz, se puede calcular la distancia de cada pulso a su objetivo (por ejemplo, el suelo). Dependiendo del tipo de LiDAR utilizado y de la distancia entre el suelo o la estructura que se está midiendo y el sensor LiDAR, estos puntos de datos individuales pueden tener una separación milimétrica entre sí. Es habitual tener la seguridad de que cada punto de datos se ha localizado con una tolerancia de entre +/- 5 mm y 10 mm respecto a la posición del sensor LiDAR.

Además de las características de exactitud y precisión de los datos que se recogen, los sensores LiDAR proporcionan eficiencias en la recogida de datos espaciales, ya que son capaces de hacer georreferenciación directa para asignar coordenadas geográficas a cada uno de los puntos de datos recogidos por el LiDAR, sin necesidad de control topográfico.

Los sistemas LiDAR terrestres suelen montarse sobre trípodes fijos. Para mejorar la eficacia de los levantamientos en lugares grandes, pueden montarse en plataformas móviles que se desplazan a velocidades que van desde el paso hasta la velocidad de un avión. Cada vez se ven más sensores LiDAR montados en plataformas que van desde mochilas o carritos que lleva o empuja el personal topográfico hasta coches, camiones y trenes, pasando por vehículos aéreos no tripulados (UAV) y, por supuesto, helicópteros y aviones tripulados.

Debido a la densidad y la precisión relativa de cada una de las mediciones 3D tomadas por el LiDAR, a menudo se dice que una "nube de puntos" LiDAR proporciona al usuario uno de los mejores conjuntos de datos topográficos. Para que sea más útil, se asignarán coordenadas geográficas del mundo real a cada punto de datos de la nube de puntos LiDAR, de modo que los datos recogidos por el LiDAR puedan utilizarse junto con la información cartográfica o topográfica existente.

Para asignar una coordenada geográfica a un punto de datos LiDAR es necesario saber dónde se encuentra el sensor LiDAR y en qué dirección apunta (orientación exterior) en todo momento. A partir de estas mediciones, se calcula una coordenada geográfica del mundo real y se asigna dinámicamente a cada uno de los impulsos devueltos (un proceso conocido como georreferenciación directa). Dada la gran precisión de los datos LiDAR en relación con la posición del sensor LiDAR, junto con la gran frecuencia y volumen de datos que se recogen cada segundo, el método de cálculo de la posición y orientación de la plataforma debe ser igualmente sofisticado. Esto puede suponer un reto en función de las limitaciones de la información de referencia y del entorno que rodea a la plataforma durante el levantamiento.

Además de las características de exactitud y precisión de los datos que se recogen, los sensores LiDAR proporcionan eficiencias en la recogida de datos espaciales, ya que son capaces de hacer georreferenciación directa para asignar coordenadas geográficas a cada uno de los puntos de datos recogidos por el LiDAR, sin necesidad de control topográfico.

Cuando se realiza un levantamiento LiDAR en movimiento, se podría suponer que sería suficiente utilizar un sensor del sistema global de navegación por satélite (GNSS), como un receptor del sistema global de posición (GPS), para asignar coordenadas geográficas a los datos recogidos. Si bien es suficiente para proporcionar una localización de la posición del sensor en aplicaciones de escaneado estáticas, no lo es en un contexto móvil, lo que da lugar a imprecisiones derivadas del movimiento continuo del sensor durante el escaneado.

Más concretamente, los problemas relacionados con el uso del GPS incluyen los asociados a la necesidad del receptor GPS de tener una línea de visión limpia con al menos cuatro GNSS en un momento dado para obtener coordenadas de longitud, latitud y altitud. Además, la distribución general de los satélites GNSS sobre una porción concreta de la Tierra en un momento dado puede no conducir a una línea de visión clara. El grado en que pueden adquirirse las coordenadas de localización también dependerá de si las estructuras del entorno impiden al receptor ver claramente el cielo, por lo que los edificios altos o los árboles colgantes pueden causar interrupciones en el grado en que un GPS puede calcular su posición. Este problema puede ser aún más grave cuando se despliega una implementación LiDAR móvil terrestre, ya que los vehículos a menudo viajan a través de zonas privadas de GPS, como centros urbanos o bosques.

Dejando a un lado los efectos del entorno inmediato, incluso si se puede ver el número necesario de satélites, la frecuencia con la que se registran las mediciones de ubicación desde un GPS será mucho más lenta que la frecuencia con la que el sensor LiDAR recoge los datos. Como resultado, existe la necesidad de comprender cuál es la ubicación de la plataforma topográfica en momentos en los que las lecturas del GPS no están disponibles. El sistema de posicionamiento del sensor LiDAR debe ser capaz de medir o predecir dónde se ha desplazado el vehículo entre las lecturas de GPS recibidas. Las fuentes de error en los cálculos de localización resultantes de los efectos del entorno de las frecuencias a las que se registran las lecturas de localización en relación con la velocidad de la plataforma en movimiento, pueden acumularse y dar lugar a un presupuesto de error creciente a lo largo de un proyecto que se conoce comúnmente como "deriva".

Independientemente de la plataforma en la que esté montado el LiDAR (es decir, aérea o terrestre), además de la localización precisa del sensor, es esencial conocer la orientación del sistema para comprender con precisión la posición de los datos que se están recopilando. Esta orientación exterior del sensor debe calcularse continuamente mientras la plataforma está en movimiento. Aparte de la distancia en línea recta entre los puntos de datos, su movimiento debe describirse en términos de balanceo, cabeceo y guiñada. Este tipo de movimientos puede resultar familiar si se visualiza un avión en vuelo, pero cualquiera que haya conducido por una carretera o haya tomado una curva a gran velocidad también estará familiarizado con ellos. Debido a la granularidad del detalle que un LiDAR captura en sus datos, cualquier ligera desviación de una plataforma que esté completamente nivelada, tendrá un efecto en el cálculo de la coordenada espacial asignada a un punto de datos LiDAR.

También es importante saber si la plataforma se ha acelerado o desacelerado, o si el paso del movimiento de la plataforma LiDAR ha sido completamente lineal. Una vez más, debido a la frecuencia y la resolución de un sensor LiDAR, es necesario tener en cuenta estos cambios de movimiento para entender dónde se ha recogido la nube de puntos.

El componente de hardware que proporciona gran parte de la información relacionada con la dinámica del movimiento de la plataforma es la unidad de medición inercial (IMU). Compuesta por un conjunto de giroscopios y acelerómetros, la IMU proporcionará un flujo continuo de datos relacionados con la aceleración lineal del vehículo en tres ejes, junto con los tres conjuntos de parámetros de rotación de balanceo, cabeceo y guiñada.

El sistema de navegación inercial (INS) es el sistema informático que alberga una IMU, junto con una unidad de procesamiento que aplica filtros estadísticos (Kalman) para calcular una estimación óptima de la posición de la plataforma en movimiento a lo largo de su recorrido. Si se dispone de un sistema GPS, el INS incluirá los datos del GPS en la estimación de la posición; si el sistema LiDAR se ha montado en un vehículo de carretera que incluye un sistema de cuentakilómetros para ayudar a medir la distancia recorrida, estos datos también se incluirán en los cálculos del INS.

Al tener en cuenta simultáneamente todos los métodos de información sobre posición y orientación, el INS puede compensar las deficiencias de estos datos al calcular la posición y la orientación. Por ejemplo, dado que los datos del GPS pueden fallar con frecuencia y pueden "desviarse", el sistema de navegación integrado puede aplicar un proceso de cálculo aproximado para predecir la trayectoria prevista de la plataforma añadiendo más peso a la información de un cuentakilómetros (si está disponible) o de los acelerómetros de la IMU, según proceda.

Con frecuencias de actualización de hasta 250 Hz, los sistemas INS como el OXTS xNAV550 y OXTS Inertial+, operan rutinas combinadas de procesamiento hacia delante y hacia atrás (en el tiempo) para calcular la posición global más probable de la plataforma en movimiento y del sensor LiDAR montado sobre ella. Este proceso dinámico de cálculo continuo de la mejor estimación de la posición y orientación del sensor LiDAR y, en consecuencia, de cada punto de datos individual que recoge, es lo que se conoce como georreferenciación directa.

La tecnología inercial OXTS se ha utilizado en una serie de aplicaciones LiDAR de alta precisión en diversas plataformas, como vehículos y sistemas aéreos tripulados y no tripulados.

Empresa suiza de vehículos aéreos no tripulados Aeroscout ha aplicado con éxito el xNAV550 con el sistema LiDAR Riegl VUX-1 para llevar a cabo operaciones de cartografía de líneas eléctricas. Gracias a una profunda pero sencilla integración entre el INS y el sensor LiDAR, el flujo de trabajo de recopilación y procesamiento de datos se realiza en unos pocos clics. En 14 minutos de vuelo, Aeroscout es capaz de recoger datos LiDAR de 1 km de línea eléctrica de alta tensión con una precisión espacial global de 1,6 cm.

En Australia, HAWCS operan un sistema OXTS Inertial+ para calcular la orientación exterior y proporcionar georreferenciación directa de un sistema LiDAR montado en helicóptero. El equipo de HAWCS, que recopila diariamente datos sobre cientos de kilómetros, es capaz de obtener datos que miden la distancia de la vegetación a lo largo de las líneas eléctricas con una precisión de 20 cm.

Mientras tanto, la empresa sueca WSP ha desplegado el sistema OXTS Inertial+ INS en múltiples sistemas GeoTracker desde 2010. WSP confía en el sistema Inertial+ para reducir las tasas de desviación del GPS y utilizar cálculos de odómetro optimizados por OXTS, con el fin de aumentar la precisión posicional cuando se producen obstrucciones como puentes, túneles o densos cañones urbanos. Al proporcionar un único mecanismo de sincronización para georreferenciar simultáneamente y de forma directa los datos de los sensores LiDAR, con la información recogida por cámaras 360 y vídeo HD; el sistema OXTS Inertial+ INS tiene un valor incalculable para este tipo de aplicaciones de cartografía móvil basadas en vehículos.