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Qué es un LIDAR, y cómo funciona el sensor más caro de los coches autónomos
Tecnología

Qué es un LIDAR, y cómo funciona el sensor más caro de los coches autónomos

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Los coches autónomos no pueden conducir por sí mismos si no son capaces de "ver" qué sucede en su entorno. Depediendo de la capacidad de detección de los sensores y de la capacidad de procesamiento de datos de la computadora, el coche es capaz de realizar más o menos tareas por sí mismo, con mayor o menor intervención del humano. Se distinguen así, por tanto, hasta cinco niveles de conducción automatizada.

Para que un coche "pueda ver" se requieren diferentes tipos de sensores que de una u otra forma lo permiten: radares, cámaras de vídeo de alta resolución, GPS inercial de alta precisión, sensores de ultrasonidos y lídares. Hoy te vamos a explicar qué es un LIDAR, uno de los sensores más habituales en los coches autónomos, y en qué consiste.

LIDAR es un acrónimo

Lidar Topografico Este que vemos aquí es un LIDAR topográfico de la marca Leica, colocado sobre un trípode (Fotografía de David Monniaux)

LIDAR no es una palabra como tal, sino un acrónimo. Si queremos ser respetuosos a nivel técnico y lingüístico, deberíamos utilizar siempre la forma acrónimo tal cual: LIDAR, en mayúsculas, sin tildes y sin plural, pues en el fondo son una conjunción de siglas o de sílabas.

Con otros acrónimos como RADAR, LASER, LED lo que ha sucedido es que después de los años, y por ser muy utilizadas, esas siglas se convirtieron en palabras de uso común, y las siglas se lexicarizaron. Por eso podemos decir radar, y su plural radares, láser, y su plural láseres, y led, y su plural ledes (aunque esta última todavía genera cierta controversia).

LIDAR son las siglas de 'Laser Imaging Detection and Ranging'. Si un RADAR emite ondas de radio que "rebotan" en los objetos, un LIDAR emite haces de rayos de luz láser infrarroja, no peligrosa en las condiciones de uso previstas, que "rebotan" en los objetos

LIDAR son las siglas de Laser Imaging Detection and Ranging. Curiosamente es un acrónimo en el que a su vez hay otro acrónimo (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). En castellano podemos traducir LIDAR como sistema de medición y detección de objetos mediante láser.

En algunos otros entornos has podido oír hablar de ellos como un escáner láser. Son bastante habituales en trabajos de Topografía, Geología, Arquitectura e Ingeniería civil. Los de este tipo vienen a ser muy similares en apariencia a un teodolito o a una estación total, y se colocan también sobre un trípode, estacionados en un determinado vértice.

Cómo funciona un LIDAR

Imagen Lidar Esta es la imagen tridimensional de nube de puntos que es capaz de "ver" en tiempo real un prototipo de Ford Mondeo autónomo gracias a 4 LIDAR Velodyne HDL-32E. El cambio de color indica visualmente la cota sobre el nivel del suelo (una de las personas alrededor del coche detectadas por los LIDAR soy yo)

Un LIDAR consiste de manera muy básica en un foco emisor de haces de rayos láser infrarrojos (y que por tanto no se ven), y de una lente receptora infrarroja capaz de ver esos haces láser. En las condiciones de uso previstas, no son peligrosos para la vista, tanquilo.

Aunque hay algunos LIDAR fijos, por ejemplo los modelos más básicos para parabrisas, lo típico es que sea un dispositivo que gira 360 grados sobre sí mismo para cubrir todo el entorno.

Los rayos láser que se emiten impactan sobre los objetos, se reflejan (es decir, "rebotan"), y los rayos que vuelven reflejados son detectados por la lente. Para que nos entendamos: un RADAR emite ondas de radio que "rebotan" sobre los objetos, un SONAR emite ondas acústicas (o sea sonido) que "rebotan" sobre los objetos, y un LIDAR emite rayos de luz que "rebotan" sobre los objetos.

Volvo City Safety Lidar And Camera Aquí vemos una unidad de sensores de parabrisas compuesta (en un sistema Volvo City Safety): a la iquierda, vemos las lentes de los emisores de haces láser y la lente receptora infrarroja del LIDAR; en el centro vemos una cámara de vídeo para reconocimiento de líneas de carril y peatones, con filamentos térmicos para desempañado y deshielo; a la derecha vemos el sensor de luz y lluvia para encendido automático de los faros y del limpiaparabrisas

De esta manera el procesador del LIDAR obtiene una nube de puntos del entorno, con la que la computadora procesa una imagen tridimensional en tiempo real, que se actualiza permanentemente y en la que los objetos se desplazan. Lo más importante de esta nube de puntos es que para cada punto se conoce su posición precisa en el espacio y la distancia que hay hasta él.

Con un LIDAR se puede conocer en tiempo real la posición precisa de millones de puntos, y la distancia entre cada punto y el foco del LIDAR

Esto se ha considerado muy útil en los coches autónomos, pues no solo permite a la computadoras indentificar objetos, sino que sabe exactamente la distancia a la que se encuentra cada uno de ellos con gran precisión (al medir el tiempo que tarda cada rayo de láser en ir y volver).

De esta manera se pueden prever las situaciones que se producirán (por ejemplo el movimiento de otros vehículos o peatones cuya trayectoria se cruzará con la del nuestro), o determinar si existe peligro de rozar o impactar contra algo.

Tipos de LIDAR

Toyota Prius Google Car Este es uno de los primeros prototipos de coche autónomo de Google, con un Toyota Prius de segunda generación. Además de otros sensores, en lo alto del techo, sobre una estructura para elevarlo aún más y que tenga una mejor visual, se encuentra un LIDAR Velodyne HDL-64E

Para automóvil existen varios tipos de LIDAR. Por un lado tenemos los LIDAR de tipo fijo para parabrisas. Consisten en una unidad bastante compacta, con unas lentes para la emisión de los haces láser y una lente para la captación de los haces reflejados.

Se colocan en la parte alta del parabrisas, por delante del espejo retrovisor, para tener una mejor visual. A veces en la unidad se combina el LIDAR con una cámara de vídeo para reconocimiento de las líneas de carril, reconocimiento de peatones o señales de tráfico. Se emplean fundamentalmente para sistemas de frenado autónomo de emergencia, por ejemplo Volvo o Ford suelen utilizar lídares de este tipo.

Hay diferentes tipos de LIDAR: en general son o caros o carísimos. Por eso, y porque es más difícil integrarlos en el diseño del coche, no todos los fabricantes optan por ellos

Por otro lado tenemos los LIDAR giratorios de 360 grados. Son los que os hemos explicado antes, y básicamente es la adaptación del LIDAR de tipo topográfico para su uso en un automóvil. El principal fabricante a día de hoy es Velodyne, y en un artículo anterior os hablamos de él.

Velodyne Lidar Sensors Models Tres modelos de LIDAR de la marca Velodyne (de izquierda a derecha): HDL-64E, HDL-32E y VLP-16 ('Puck')

De Velodyne son los primeros LIDAR que utilizó Google hace años en sus prototipos de coches autónomos. Ya en 2012 os contamos cómo funciona el coche autónomo de Google, artículo que sigue vigente actualmente, y que podéis leer también para ampliar información.

Hoy en día Google sigue utilizando LIDAR: es esa especie de seta colocada encima del techo de los coches, que en sucesivos rediseños intenta disimular o integrar en el diseño. El LIDAR más grande es el modelo HDL-64E.

La lente emite 64 rayos láser y gira sobre sí mismo 360 grados de manera permanente, a 900 vueltas por minuto, para monitorizar todo el entorno del coche, con hasta 2,2 millones de puntos por segundo. Tiene un alcance de 50 m para el pavimento y de 120 m para vehículos, peatones y árboles. Con una unidad en principio es suficiente. Este modelo es también el más caro, con un precio alrededor de los 75.000 dólares (unos 63.700 euros, al cambio, más IVA).

Ford Mondeo Autonomo Aquí tenemos un prototipo de Ford Mondeo híbrido autónomo (de primera generación). Vemos en lo alto del techo, sobre una estructura de acero similar a una baca, cuatro LIDAR Velodyne HDL-32E. En la segunda generación se emplean LIDAR compactos VLP-16 y más cámaras de vídeo.

De todos modos Velodyne ha desarrollado otros LIDAR más pequeños y económicos: por ejemplo en el primer prototipo de Ford Mondeo autónomo, el cual también os explicamos detalladamente cómo funciona en 2014, se utilizan 4 unidades del modelo HDL-32E. Cada uno emite 32 rayos láser, giran también sobre sí mismos 360 grados a 600 vueltas por minuto, con hasta 0,7 millones de puntos por segundo. El alcance es de hasta 80 a 100 m para vehículos, peatones y árboles. Con los cuatro se procesan en total más de 2,5 millones de puntos.

Google, Ford, Toyota/Lexus, Nissan o Volkswagen han empleado diferentes tipos de LIDAR en sus prototipos de coches autónomos

El último modelo es también el más compacto y barato. Se denomina VLP-16. Existen tres variantes: Puck, Puck Lite y Puck Hi-Res. Emite 16 rayos láser, gira 360 grados, cubre hasta 0,3 millones de puntos por segundo y llega hasta 100 m de alcance. Su precio es de 7.999 dólares, que al cambio directo vienen a ser casi 6.800 euros (más IVA).

Este tipo de LIDAR muy compacto es en el que se ha basado por ejemplo Volkswagen al imaginar el prototipo Volkswagen I.D. concept, una berlina compacta, 100 % eléctrica y con conducción autónoma. En el techo, en cada una de las cuatro esquinas, se esconden cuatro LIDAR cilíndricos compactos escamoteables en el propio techo. Cuando se conduce en modo manual están ocultos, pero cuando se activa el modo de conducción automatizada se elevan, sobresalen del techo, y tienen visual para funcionar.

Volkswagen Id Concept Lidar Recorte Este es el prototipo Volkswagen I.D. concept. En el techo podemos ver los cuatro LIDAR cilíndricos compactos desplegados, uno en cada esquina (con una luz suave y 'molona' de color azul eléctrico). Se podría emplear un tipo de LIDAR muy similar al Velodyne VLP-16

No todos los fabricantes de automóviles deciden emplear LIDAR de 360 grados como sensores en sus prototipos de coches autónomos (por su precio, o por su dificultad de integración estética). A veces prefieren utilizar múltiples cámaras de vídeo de alta resolución, estereoscópicas con frecuencia, complementadas con radares de diferente alcance y apertura. Otro día hablaremos de estas otras alternativas al LIDAR.

Fotografías | David Monniaux (Wikimedia CC)
En Motorpasión | El dilema moral del coche autónomo. ¿Soñó Asimov con el Google Car?

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