CDT Los sistemas robóticos exploran con cámaras terrenos desconocidos, edificios o zonas de peligro. En el proyecto 3D-InAus, investigadores del Instituto Fraunhofer de Comunicación, Tratamiento de la Información y Ergonomía FKIE utilizan un láser LiDAR en un robot móvil, que emite pulsos láser para medir distancias. Los resultados se utilizan para producir entornos 3D geométricamente precisos.
Fuente: Fraunhofer
En una catástrofe como un incidente en una planta química o una inundación, los servicios de emergencia necesitan medios para hacerse rápidamente una idea general de la situación. Pero en muchos casos no se les permite entrar en el lugar de los hechos para no ponerse en peligro.
Los investigadores del Fraunhofer FKIE de Wachtberg están trabajando en una solución a este problema en el proyecto 3D-InAus. Un robot equipado con un láser LiDAR (light detection and ranging) explora la zona. La tecnología LiDAR utiliza pulsos de luz para escanear el entorno y medir distancias. Así se crea un modelo 3D que muestra edificios, habitaciones, espacios abiertos, objetos y todas las dimensiones y distancias asociadas. Los usuarios pueden moverse libremente por la visualización de 360 grados utilizando un joystick mientras investigan el entorno virtual.
Timo Röhling, director técnico de proyectos del departamento de sistemas móviles cognitivos, explica: «En comparación con los sistemas robóticos que utilizan cámaras para explorar una zona de peligro, nuestro proyecto va un gran paso más allá. Los impulsos láser proporcionan mediciones para la cartografía 3D de precisión de una zona del terreno o un edificio. Las distancias y dimensiones no se estiman, sino que se determinan con una precisión de unos pocos centímetros».
Nube de puntos geométrica derivada de pulsos láser
La pieza central del hardware es un láser LiDAR montado en una plataforma giratoria. El módulo LiDAR lleva incorporado un espejo giratorio. Puede escanear un área compuesta por 16 secciones verticales, o «rebanadas», diez veces por segundo. La plataforma giratoria hace girar el láser de modo que las secciones verticales cubran una vista completa de 360 grados a lo largo del eje horizontal. El sistema genera un total de 1,3 millones de pulsos láser por segundo. Estos impulsos rebotan en los objetos circundantes y el tiempo transcurrido entre ellos se utiliza para calcular la distancia pertinente. El módulo LiDAR se monta en un vehículo que se desplaza por la zona, ya sea de forma continua o en modo de parada y arranque. El funcionamiento continuo es mucho más rápido, pero también menos preciso. El resultado es una nube de puntos en 3D en la que cada punto representa un pulso láser o una medición de distancia. También hay un sistema de cámaras con hasta seis cámaras. Las imágenes de las cámaras se utilizan para colorear los objetos o formas asociados. «Se puede pensar que fusionamos las imágenes de la cámara y la nube de puntos. Así obtenemos un entorno 3D vívido, detallado y geométricamente preciso que muestra edificios, espacios abiertos y objetos», explica Röhling.
Los datos brutos adquiridos por el láser LiDAR son preprocesados por un módulo informático situado en el interior del robot antes incluso de que éste finalice su misión. La visualización final se produce entonces de forma estacionaria durante el postprocesamiento. Se tardan unas tres horas en cartografiar un área de 400 x 400 m. En una catástrofe en la que el tiempo es esencial, se puede utilizar el funcionamiento acelerado para obtener una visión general inicial en tan sólo una hora. También es posible explorar una zona utilizando varios vehículos simultáneamente.
Este método de cartografía 3D también es valioso para la Bundeswehr, que encargó el proyecto de investigación. Puede utilizarse para generar complejas visiones generales de terreno desconocido o de una zona de peligro, y salvar así la vida de los miembros del servicio. El software del sistema es capaz de procesar los valores de medición de los sensores que detectan sustancias tóxicas gaseosas o fuentes de radiación y, a continuación, situarlos en los mapas 3D.
GPS virtual dentro del edificio
En general, el sistema robótico está controlado por radio por un usuario que trabaja con un joystick y una tableta. Si no hay contacto por radio, los sistemas robóticos también podrían desplazarse por el terreno de forma autónoma.
Explorar edificios es todo un reto, ya que en ellos no hay recepción GPS, pero los investigadores del Fraunhofer FKIE han encontrado una solución para esto también. La posición y el tamaño del edificio ya se conocen gracias a la cartografía del terreno, y el software utiliza esa información para generar un GPS virtual para el interior del edificio. Esto permite al sistema robótico navegar de forma autónoma por el interior de la estructura.
El equipo de Fraunhofer FKIE se basó en sus años de experiencia en el modelado de entornos tridimensionales asistido por robots para llevar a cabo el proyecto. «Ideamos el concepto, seleccionamos los componentes e implementamos los algoritmos», explica Röhling.
Plataforma flexible para distintos escenarios
El equipo se aseguró de que el sistema robótico fuera lo más versátil posible. Por ejemplo, el módulo láser y la plataforma giratoria pueden montarse en una amplia gama de vehículos diferentes. Dependiendo del terreno, pueden utilizarse vehículos con ruedas u orugas, o incluso drones. Los usuarios montan los componentes específicos para cada escenario.
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