¿LiDAR o cámaras? La visión de los vehículos autónomos
La conducción de forma completamente autónoma, si bien resulta técnicamente viable, como lo están demostrando diferentes pruebas en tráfico real, llevadas a cabo en diferentes países, no parece que se esté orientando a su aplicación en vehículos de uso particular, al menos a corto plazo, aunque sí podríamos comenzar a verla muy pronto aplicada a vehículos de uso profesional, destinados al transporte de personas o de mercancías. La difusión, no obstante, de sistemas muy avanzados de asistencia a la conducción, con capacidad de conducción semi-autónoma, en entornos específicos, sí está llegando al mercado de vehículos particulares, aunque avanza de forma desigual a nivel internacional, en función del diferente poder adquisitivo de cada país.
La evolución hacia vehículos con altos niveles de asistencia al conductor avanza firme e inexorablemente en nuestros coches, al objeto de conseguir una conducción con menor margen de error por parte del conductor y, por lo tanto, más segura en nuestros desplazamientos diarios.
Ejemplos habituales de los inicios de la automatización en nuestros vehículos van desde los simples controles de velocidad de crucero no adaptativos, hasta los complejos sistemas de aparcamiento asistido, en los cuales el vehículo toma íntegramente el control del sistema de la dirección, frenos y acelerador, para realizar la maniobra de estacionamiento de forma completamente autónoma.
En cuanto al grado de asistencia a la conducción, se distinguen hasta seis niveles de automatización en la conducción, establecidos por la Sociedad de Ingenieros de la Automoción -SAE-,en función de laimplicación del humano durante la conducción:
Como resulta evidente, para lograr el máximo nivel de automatización es preciso disponer de sensores que puedan captar todo dato del entorno relevante durante la conducción.
Se dividen así, dos tipos de sensores: los que analizan el estado interno del vehículo y los que captan los elementos externos que rodean al vehículo, adquiriendo información sobre el tráfico existente.
En este último grupo se distinguen los sensores ultrasónicos (emiten ondas sonoras para detectar elementos a poca distancia, siendo altamente efectivos y de bajo coste), los sistemas de cámaras de vídeo de alta resolución, los radares (lanzan ondas de radio con las que logran la detección de elementos situados a más distancia que los captados por los sensores ultrasónicos) y la tecnología láser LiDAR (Laser Imaging Detection and Ranging).
Una vez percibidos los elementos que rodean al vehículo y tras analizar el estado interno, se realiza la interpretación de los datos mediante procesadores y, con ello, el vehículo toma las decisiones oportunas a cada instante. Este proceso puede resultarnos familiar, ya que trata de digitalizar el mecanismo que realizamos las personas a través de nuestro sistema nervioso central durante la conducción.
Este proceso puede resultarnos familiar, ya que trata de digitalizar el mecanismo que realizamos las personas a través de nuestro sistema nervioso central durante la conducción.
En este artículo se analiza el comportamiento tanto de los sistemas LiDAR como de las cámaras de vídeo, en términos de percepción del entorno que rodea al vehículo.
Las cámaras ya son un elemento más en nuestro a día a día, pero ¿De qué trata la tecnología Láser?
Lidar
La acogida de la tecnología LiDAR en la automoción llega de la mano de empresas como Velodyne, la cual en la tercera edición del concurso DARPA Grand Challenge, en 2007 (consistente en una carrera entre vehículos autónomos por un entorno urbano, patrocinado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa) suministró el sistema LiDAR en 5 de los 6 vehículos que terminaron la carrera. Su éxito se basó en su capacidad para leer, reconocer y obedecer las señales de tráfico.
Pero, veamos cómo logra realizar estas funciones. El sistema LiDAR emite un corto pulso de luz láser. Este pulso emitido choca contra un elemento del entorno y rebota, volviendo hacia el punto de emisión, donde es detectado por un sensor. Mediante un procesador conectado al sistema se mide el tiempo transcurrido desde la emisión hasta la recepción del pulso y, utilizando la velocidad de la luz, calcula la distancia a la que se sitúa el elemento detectado con elevada precisión. Gracias a un escaneo constante -mientras realiza giros de 360º sobre sí mismo- capta miles de puntos de los elementos que rodean al vehículo a cada segundo, construyendo un gemelo digital de la realidad.
No obstante, la irregularidad del firme asfáltico provoca un balanceo del vehículo durante su circulación, lo que produce un error de medida en las distancias relativas que, de no ser corregidas, podrían llegar a desencadenar un accidente.
Por ello, el sistema LiDAR necesita equipar un sistema de navegación inercial (sensor que analiza el estado interno del vehículo), el cual garantiza la precisión en las distancias calculadas, al disponer de sensores giroscópicos, entre otros, y consigue así una capacidad realmente eficaz para evitar colisiones y atropellos.
Cámaras de alta resolución
Por otro lado, las cámaras de vídeo de alta resolución ofrecen una alternativa tecnológica de menor coste a la luz láser. Una cámara capta la realidad a través de su lente, convirtiendo los rayos de luz en electrones que, tras ser convertidos en voltaje y amplificados, pasan por un convertidor analógico-digital, obteniendo píxeles. Un problema de las cámaras para su uso en automoción es la distorsión de la imagen captada, producida tras el paso de los rayos de luz a través de la lente. Ello conlleva nuevamente un error de medida en las distancias relativas.
Afortunadamente, hoy en día, tras un proceso de calibración se consigue gran precisión y, además, presentan la ventaja de reconocer con mayor facilidad los colores del entorno respecto a un láser escáner, facilitando la lectura de señales de tráfico, fases semafóricas, etc.
Sin embargo, presentan una clara desventaja en condiciones nocturnas, simple y llanamente por su principio de funcionamiento, al haber menos rayos de luz (menos energía), una cámara no consigue captar el entorno con la misma precisión que el láser (siendo este último un sensor activo, es decir, que, a diferencia de un sensor pasivo como las cámaras, emite energía al entorno y mide la energía devuelta, por lo que no necesita de ninguna energía externa). Además, necesitan mucho tratamiento de datos para extraer la información captada del entorno.
Cuantos más sensores equipe un vehículo con cierto nivel de automatización mayor seguridad conseguirá, al beneficiarse de las ventajas de cada uno de los sistemas y suplir sus carencias individuales.
Fijándonos en los vehículos de guiado automático (AGV) ya implementados en la industria, podemos intuir cuál será el sistema en el que recaerá la responsabilidad de evitar los accidentes en los vehículos autónomos del futuro.
A fin de garantizar la seguridad de personas que conviven con el uso de vehículos de guiado automático, en entornos industriales, la actual legislación exige que, como sistema de seguridad, dichos vehículos deben incorporar un escáner láser, entre otros sensores y sistemas de guiado, sin prescribir el uso de cámaras de vídeo.
En cualquier caso, resulta evidente que cuantos más sensores equipe un vehículo con cierto nivel de automatización, mayor seguridad tendrá, al beneficiarse de las ventajas de cada uno de los sistemas, además de suplir sus carencias individuales.
Es por ello que, a pesar de que en la actualidad el precio de las cámaras de vídeo pueda hacer decantarse la balanza por el uso de este tipo de tecnología, en sus aplicaciones de automoción (como en el caso del Tesla Vision), prescindiendo del sistema LiDAR, en un futuro cercano, cuando la economía de escala reduzca el coste de la tecnología, resulta probable que empiece a ser más habitual en nuestros coches, dada la mejora de seguridad que puede llegar a ofrecer.