¿Qué es un sensor LiDAR?

LiDAR (Light Detection and Ranging) es una tecnología de sensores que utiliza pulsos de luz láser para medir distancias. Estos sensores envían pulsos de luz láser hacia un objetivo y miden el tiempo que tarda la luz en regresar al sensor. A partir de esta información, se puede calcular la distancia entre el sensor y el objeto, creando un mapa tridimensional detallado del entorno.

¿Cómo funciona un sensor LiDAR?

En primer lugar, el escáner emite rayos láser infrarrojos que impactan sobre determinados objetos y rebotan. Luego, aquellos rayos que “regresan” son registrados por un receptor y se realiza una medición de la distancia (tiempo de viaje x velocidad de la luz). Es importante mencionar que un LiDAR dispara miles de rayos por segundo, creando una “nube de puntos” (colecciones de puntos de elevación), la cual se combina con información posicional GPS/INS y genera un mapa de puntos tridimensionales reales.

Del mismo modo, el LiDAR se clasifica en dos categorías: por tipo de láser y por tipo de escaneado. Con relación al tipo de láser, el sensor puede presentar LiDAR de pulsos (en el cual el proceso de medición se lleva a cabo mediante el cálculo del tiempo en que tarda un pulso desde que es emitido y hasta que es captado por el receptor) y LiDAR de medición de fase (el número de longitud de ondas enteras recorridas que resulta de la diferencia de fase entre señales emitidas y reflejadas).

El tipo de escaneado presente en los LiDAR, por su parte, puede tomar cuatro formas: a modo de líneas (se producen líneas paralelas al momento de realizar el escaneado ya que el sensor posee un espejo rotatorio que desvía el haz láser), zizgag (el espejo rotatorio produce líneas en forma de zigzag como patrón de escaneado debido a que el espejo es rotatorio en dos sentidos, ida y vuelta), fibra óptica (el haz láser es desviado desde un cable de fibra óptica, y el patrón de escaneado toma la forma de pequeñas circunferencias) y elíptica (el patrón de escaneado toma forma elíptica, el cual se produce a través del desvío del haz láser por intermedio de dos espejos).

Tipos básicos de sensores LiDAR

• Aerotransportado: Utilizado desde helicópteros, aviones o drones, este tipo de sensor pulsa el láser a través del aire y la vegetación.
• Terrestre: Puede ser móvil, cuando se usa en vehículos en movimiento, o estacionario.
• Acuático: El láser batimétrico se usa para medir tanto la profundidad como la elevación del agua, ideal para estudios de fondos marinos.

Componentes esenciales de un sensor LiDAR

• Escáner láser: Mide distancias y ángulos.
• Sistemas de navegación y posicionamiento: Incluyen GPS (Sistema de posicionamiento global) e INS (Sistema de navegación inercial), esenciales para asegurar que la posición y orientación del sensor permiten que los datos capturados sean útiles.
• Tecnología informativa: Procesa y utiliza los datos recogidos.

Aplicaciones de la tecnología LiDAR

• Agricultura: Estudio del suelo para identificar especies de cultivo adecuadas.
• Topografía: Creación de ortofotos, determinación del uso de la tierra e investigación de deslizamientos.
• Arqueología: Detección de vestigios y ciudades ocultas bajo la vegetación.
• Ciencias forenses: Reconstrucción de escenas del crimen y detección de zonas de entierro.
• Fotografía: Mejoras en funciones de realidad aumentada y fotografía en dispositivos como el iPhone Pro.
• Meteorología: Medición y monitoreo de fenómenos atmosféricos y calidad del aire.
• Automotriz: En vehículos autónomos, detecta la naturaleza y proximidad de objetos, reduciendo la necesidad de un conductor y disminuyendo accidentes de tráfico.

Medición de LiDAR

El instrumento LiDAR emite pulsos de luz láser en el entorno. Estos pulsos viajan a la velocidad de la luz, rebotan en los objetos circundantes y regresan al sensor LiDAR. El sensor mide el tiempo que tarda cada pulso en regresar y, utilizando la velocidad constante de la luz, calcula la distancia recorrida.

Repetir este proceso enviando pulsos láser a través de un área más amplia permite recoger mediciones de tiempo de vuelo en miles de millones de puntos individuales. Estos datos se procesan en tiempo real, generando lo que se conoce como una nube de puntos.

Análisis y modelado de datos de LiDAR

Los datos de LiDAR pasan por varias etapas de procesamiento para transformar la nube de puntos en un mapa 3D. Primero, se verifica su precisión y se limpian para eliminar el ruido anómalo. Luego, se identifican y clasifican las características de la superficie terrestre, como edificios, ríos y doseles forestales, mediante algoritmos.

Para simplificar el análisis, los algoritmos reducen la muestra de la nube de puntos, eliminando datos redundantes y reduciendo el tamaño del archivo. Posteriormente, los datos se convierten al formato de archivo LAS (LASer), el estándar de la industria para intercambiar datos 3D x, y, z.

Una vez convertidos al formato LAS, los datos de la nube de puntos se pueden visualizar y modelar en un mapa 3D del terreno escaneado. Estos cálculos son constantes y continuos en un sistema LiDAR en movimiento, como los utilizados en vehículos autónomos. Según una fuente, los automóviles autónomos generan y procesan un terabyte de datos por cada hora de operación.

Sensores 2D LiDAR

Los sensores LiDAR bidimensionales operan con un solo plano de barrido, midiendo distancias y ángulos. Los datos de estos sensores permiten una navegación precisa y la detección de objetos tanto en interiores como en exteriores, sin importar las condiciones de iluminación. Este tipo de escáner láser ofrece una solución económica para la detección del entorno en una amplia gama de aplicaciones, especialmente en entornos industriales.

Sensores 3D LiDAR

Los sensores 3D-LiDAR añaden una dimensión adicional al plano de exploración, proporcionando datos de medición en tres dimensiones. Estos datos permiten cartografiar digitalmente el mundo real, detectando objetos en el espacio tridimensional incluso en condiciones meteorológicas extremas y en entornos no definidos.

Los sensores 3D LiDAR son ideales para diversas aplicaciones, incluso en condiciones difíciles. Se utilizan para el recuento de personas en aeropuertos, el guiado automático de vehículos, la determinación precisa de la ubicación y la prevención de colisiones en puertos, centros logísticos y fábricas.

Tenemos como ejemplo un avión para comprenderlo mejor: 

Principio de funcionamiento del sensor LiDAR

• Emisión de un impulso láser: El sensor LiDAR emite un pulso de luz láser hacia el entorno.
• Registro de la señal retrodispersada: La señal láser rebotada por los objetos circundantes regresa al sensor.
• Medición de la distancia: La distancia se calcula utilizando la fórmula: tiempo de viaje x velocidad de la luz.
• Recuperación de la posición y altitud del avión: Se obtiene la posición y altitud del avión que transporta el sensor.
• Cálculo de la posición exacta del eco: Se determina la posición exacta del punto de rebote del pulso láser, generando un mapa preciso del entorno.

Aplicaciones de LiDAR para Drones

El uso de LiDAR en drones es ideal para:

• Pequeñas zonas que sobrevolar: Áreas menores de 10 km² o 100 km lineales.
• Cartografía bajo vegetación: Mapeo de áreas cubiertas por vegetación densa.
• Zonas de difícil acceso: Regiones inaccesibles por otros medios.
• Datos necesarios casi en tiempo real: Requerimiento de información inmediata o frecuente.
• Rango de precisión: Necesidad de precisión en el rango de 2,5 a 10 cm.