Bauanleitung für mobilen Laserentfernungsmesser mit WLAN

Unser leicht nachzubauender webbasierter Laserentfernungsmesser ermittelt zentimetergenau Distanzen und zeigt sie auf PCs, Smartphones oder Tablets an.

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Inhaltsverzeichnis

Distanzsensoren auf Basis von Infrarot oder Ultraschall sind zwar günstig, aber meist recht ungenau, relativ langsam und ihre Reichweite liegt bei unter 4 Metern. Wer weiter, schneller und genauer messen will, greift auf LIDARs (laser detection and ranging) zurück, die sich dank fertiger Bibliotheken und von jedem Mikrocontroller unterstützten Schnittstellen in Windeseile in eigene Projekte integrieren lassen. In unserem Beispiel nutzen wir einen WLAN-fähigen ESP32, um die Messwerte des LIDAR über einen selbst programmierten Simpel-Webserver grafisch zur Verfügung zu stellen, sodass – geräteunabhängig – jeder Browser die Daten abrufen und anzeigen kann.

Der hier eingesetzte LIDAR (Bild 1) stammt vom Hersteller Garmin, sonst eher für Navigations-Geräte und smarte Uhren bekannt. Das Modul hat insgesamt 6 Pins: Vcc (rotes Kabel), Power Enable (orange), Mode (gelb), SCL (grün), SDA (blau) und GND (schwarz). Vcc erwartet eine Spannung zwischen 4,5 und 5,5 Volt, die der ESP32 an seinem Pin Vin bereithält. Normalerweise dient Vin dazu, eine Spannung an den Spannungsregler des ESP32 einzuspeisen, falls er nicht über seinen USB-Port versorgt wird. Hier nutzen wir den Port quasi als Ausgang, da er (über eine Schutzdiode) an der 5V-Versorgung des USB-Ports hängt.

Kurzinfo
  • LIDAR verstehen
  • Anschluss an den ESP32
  • Webserver programmieren

Checkliste

  • Zeitaufwand: etwa 1 Stunde
  • Kosten: etwa 150 Euro
  • Programmieren: Bedienung der Arduino-IDE

Material

  • Garmin Lidar Lite v3
  • ESP32-Board Dev Kit
  • evtl. Breadboard
  • Jumperkabel
  • Smartphone
  • USB-Powerbank
LIDAR-Technik

Um die Entfernung zu einem vor ihm liegenden Objekt zu messen, schickt der Laser im einfachsten Fall einen Lichtimpuls aus und ein Prozessor misst die Zeit, bis er den reflektierten Impuls wieder empfängt (Time of Flight, ToF). Anhand der Zeit und der bekannten Lichtgeschwindigkeit berechnet der Prozessor nun die Entfernung. Da das Licht immerhin 300.000km/s schnell ist, muss man gute Messelektronik haben, um Laufzeiten im – je nach Entfernung – Pico- oder Nanosekundenbereich zu messen. Bis vor wenigen Jahren kostete solch ein Modul noch mehrere hundert Euro und war für die meisten Hobby-Projekte einfach zu teuer.

Vor rund 4 Jahren kamen für rund 100 Euro die ersten erschwinglichen Module „LIDAR Lite“ auf den Markt, die ein vereinfachtes Konzept einsetzen, das sich kostengünstiger in Silizium gießen lässt. Vereinfacht gesagt sendet der Laser kontinuierlich moduliertes Licht im Mehrfachpulsbetrieb aus und misst die Phasenverschiebung zwischen ausgesendeten und empfangenen Pulsen. Dies entspricht ebenfalls einer Zeit und ist somit proportional zur Entfernung. Seit dieser Vereinfachung findet man LIDARs auch in vielen Hobby-Projekten rund um Robotik und Drohnen, um rechtzeitig Hindernisse zu erkennen.

Das hier verwendete Modul Lidar Lite v3 des Herstellers Garmin kostet knapp 130 Euro und eignet sich durch das geringe Gewicht (22g) und die kleinen Abmessungen (20 × 48 × 40 mm) für mobile Anwendungen. Seine Stromaufnahme ist mit 135mA nicht gerade niedrig, aber für den Einsatz unterwegs immer noch akzeptabel. Seine maximale Reichweite liegt bei 40m, wobei der Fehler +/–2,5cm beträgt. Pro Sekunde kann der LIDAR bis zu 500 Messwerte sammeln und über seinen I2C-Bus an einen Mikrocontroller senden.

Die Pins Power Enable und Mode können wir ignorieren und müssen sie nicht anschließen. Sie sind intern bereits mit Pull-up-Widerständen verschaltet, sodass sie uns nicht in die Quere kommen. SDA und SCL sind die Leitungen des I2C-Bus, über die der LIDAR mit 400kHz seine Daten sendet oder Befehle empfängt. Die Verschaltung des ESP32 DevKit mit dem LIDAR ist in Bild 2 zu sehen.

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