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Uso del dToF en aplicaciones de LiDAR

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LiDAR
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Edel Cashman, Ingeniero Jefe de Aplicaciones, ON Semiconductor

El LiDAR (light detection and ranging) es una técnica empleada para medir la distancia de los objetos desde un dispositivo de detección. Se basa en unos principios similares al RADAR, pero en el LiDAR las ondas de radio se sustituyen por luz, generalmente luz láser. El sistema LiDAR emite un haz luminoso que impacta sobre el objetivo, se refleja y vuelve al sensor que se halla cerca de la fuente de luz. Midiendo el tiempo que tarda la luz en desplazarse, y sabiendo que la velocidad de la luz es constante, la distancia del objetivo se puede calcular con una gran exactitud. Al repetir esta medida a intervalos regulares se puede obtener un mapa en 3D del entorno.

El LiDAR tiene aplicaciones en el mundo de la automoción, concretamente en el sistema avanzado de asistencia a la conducción (advanced driver assistance system, ADAS), donde se puede utilizar para detectar obstáculos y evitar colisiones, así como en el control de crucero adaptativo (adaptive cruise control, ACC) y la navegación. No obstante, si bien su uso en los automóviles ha cobrado un gran protagonismo, apenas representan una pequeña parte de todas las aplicaciones del LiDAR.

En la exploración especial se puede utilizar el LiDAR para crear mapas topográficos de la superficie de los planetas en 3D o para calcular la distancia entre un cuerpo celeste y la Tierra. La agricultura utiliza el LiDAR en estudios del campo y de cultivos, permitiendo de este modo que los agricultores puedan obtener modelos, predecir el rendimiento y monitorizar el crecimiento.

En el mundo forestal se utilizan para medir la cubierta forestal y supervisar la deforestación, así como en la gestión proactiva de incendios. La conservación del medio ambiente también puede aprovechar los sistemas LiDAR para gestionar la erosión costera, controlar las dunas y recoger datos sobre la erosión de los glaciares. En caso de desastre natural, el LiDAR se puede utilizar para prever tsunamis o evaluar rápidamente los daños producidos por los terremotos.

Sus aplicaciones industriales son muy numerosas, entre ellas la inspección de líneas de producción en fábricas o la planificación de grandes proyectos de construcción como edificios o carreteras. Otra aplicación es la protección de zonas peligrosas, como por ejemplo cruces del ferrocarril. El LiDAR puede guiar a los vehículos robóticos de forma segura en instalaciones como almacenes, muelles y aeropuertos.
De hecho, el LiDAR tiene cientos de aplicaciones tan diversas como transporte, arquitectura, topografía, reconocimiento de gestos, minería, orden público, energías renovables y geología.

Uso del dToF en aplicaciones de LiDAR

El principio fundamental del LiDAR es el tiempo de vuelo directo (direct time-of-flight, dToF). En un sistema típico de LiDAR se utiliza un láser para generar pulsos de luz. Cuando la luz llega a un objeto, la luz se refleja y, si bien gran parte de la luz se dispersa, una parte se refleja y vuelve al sensor en el sistema LiDAR.
Principio del dToF utilizado en un sistema LiDAR
Figura 1: Principio del dToF utilizado en un sistema LiDAR.

El sistema incorpora un reloj preciso que es capaz de determinar el tiempo que necesita la luz para alcanzar el objeto y volver. Dado que la velocidad de la luz es constante (c), la distancia hasta el objeto se puede calcular con facilidad. Si el reloj es muy exacto se pueden obtener unos niveles de precisión muy elevados con los sistemas LiDAR.
Si bien resulta útil conocer la distancia hasta un punto, moviendo la fuente de luz siguiendo un patrón y registrando cada valor de la distancia junto con su posición en la exploración se puede obtener un mapa en 3D con rapidez. Este es al principal uso del LiDAR y facilita muchas de las aplicaciones emergentes ya citadas en este artículo.

El Fotomultiplicador de silicio (Silicon PhotoMultiplier, SiPM), el elemento fundamental de detección

La capacidad de capturar y medir con exactitud la luz láser reflejada es primordial para el rendimiento de un sistema LiDAR. Uno de los sensores de mayores prestaciones para sistemas LiDAR es el fotomultiplicador de silicio (Silicon PhotoMultiplier, SiPM), que integra una densa matriz de pequeños sensores independientes de avalancha de fotón único (Single Photon Avalanche Diodes, SPAD).
Un SiPM está formado por una matriz de microcélulas con una salida sumadora
Figura 2: Un SiPM está formado por una matriz de microcélulas con una salida sumadora.

Cada punto de detección está constituido por una resistencia de extinción y se denomina “microcélula” y ya que apenas ocupa unas pocas micras cuadradas. Cuando una microcélula absorbe un fotón puede provocar una avalancha Geiger que genere la circulación de una elevada corriente fotoeléctrica a través de la microcélula. Esto desencadena a su vez una caída de la tensión en la resistencia de extinción que reduce la polarización del diodo y extingue la corriente, evitando así que se produzcan otras avalanchas en modo Geiger. A continuación se reinicia la microcélula, que está lista para la siguiente medida.

Un SiPM suele tener entre 100 y varios miles de microcélulas por milímetro cuadrado, cada una de las cuales detecta fotones de manera idéntica e independiente. Se suman las corrientes procedentes de las microcélulas para generar una salida cuasianalógica que proporciona información sobre la magnitud de un flujo instantáneo de fotones.
Otras técnicas para detectar y medir fotones son los fotodiodos de avalancha (avalanche photodiodes, APD) y los diodos PIN. Sin embargo, los sensores SiPM representan una mejora respecto a los otros dos gracias a su capacidad para detectar fotones únicos y a su alta ganancia. Este rendimiento mejorado permite la detección de objetivos de baja reflectividad a gran distancia, tal como exigen muchas aplicaciones de LiDAR.
Los sensores SiPM se suministran como soluciones totalmente encapsuladas, como las RB-Series de ON Semiconductor, que son sensibles al rojo y a la región cercana al infrarrojo del espectro electromagnético. Todos los sensores de esta serie se caracterizan por su capacidad de respuesta, tiempo rápido de respuesta de señal, baja tensión de funcionamiento y bajo coeficiente de temperatura de la tensión de funcionamiento. Se suministran en un pequeño encapsulado robusto MLP (molded lead frame package) de 1,5 mm x 1,8 mm adecuado para procesos de soldadura por reflujo.

Hay tres versiones disponibles que se distinguen por el tamaño de su microcélula (10 µm, 20 µm o 35 µm), si bien cada dispositivo tiene un área de detección de 1 mm x 1 mm. Las versiones con microcélulas más grandes ofrecen una eficiencia de detección más elevada, mientras que una microcélula más pequeña proporciona un mayor rango dinámico. Todos los dispositivos tienen un tiempo rápido de respuesta de señal de alrededor de 1,0 ns para la salida estándar y unos 500 ps para la salida rápida.

Plataforma LiDAR dToF basada en SiPM

Si bien los principios del dToF son relativamente simples, el desarrollo de una solución completamente funcional puede ser complicada debido a la exactitud con la que el SiPM detecta la luz devuelta. ON Semiconductor ofrece una plataforma de desarrollo con una solución LiDAR completa basada en el principio de dToF dirigida a los ingenieros que desean desarrollar aplicaciones de LiDAR en la industria.

Esquema conceptual de la plataforma lidar
Figura 3: Esquema conceptual de la plataforma lidar.

Esta plataforma, cuyo objetivo es reducir el esfuerzo dedicado al desarrollo, es prácticamente una solución integral cuyos ajustes de realizan por software para adaptarse a múltiples aplicaciones. El coste total del sistema se optimiza y se suministran tanto el hardware (lista de materiales, esquemas, Gerber para placa de circuito impreso), como el software y los archivos fuente.
El sistema ofrece capacidad dToF para un solo punto entre 1 mm y 23 m e incorpora lentes planoconvexas con el fin de lograr la distancia máxima de medida. Para su funcionamiento solo necesita una fuente de alimentación de 3,3 V o 5 V. Incorpora una interfaz gráfica para configurar la frecuencia y la anchura del pulso, así como las tensiones reductora y elevadora.

Resumen

La capacidad de medir y monitorizar el mundo que nos rodea es cada vez más importante en un gran número de industrias. Las técnicas modernas, como el LiDAR, no solo ofrecen una mayor exactitud que los métodos manuales sino que también permiten realizar las tareas en mucho menos tiempo que antes.
Sin bien los principios de LiDAR dToF son sencillos, su puesta en práctica puede ser complicada, especialmente para diseñadores sin experiencia previa. ON Semiconductor® suministra una plataforma de referencia para demostrar la efectividad de LiDAR al utilizar las mejores tecnologías. Esta plataforma integral proporciona toda la información, el hardware y el software que necesitarán los ingenieros para confirmar la validez del concepto de forma rápida y fiable.