LiDAR Abstandssensor ToF VL6180X

Abb. 1:Funduino 31.03.2025 VL6180X-Time of Flight-Laser-Abstandssensor]

Autoren: Marc Ebmeyer, Prof. Dr.-Ing. Schneider

Einleitung

Der VL6180X ist ein integrierter LiDAR-Abstandssensor der Firma STMicroelectronics, der auf dem Time-of-Flight-(ToF-)Messprinzip basiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Abstandssensoren misst der VL6180X die tatsächliche Laufzeit eines ausgesendeten Infrarot-Lichtimpulses und ermöglicht dadurch präzise und zuverlässige Distanzmessungen unabhängig von der Reflektivität des Zielobjekts.

Der Sensor verfügt über eine integrierte Infrarot-Laserdiode (Emitter) mit einer Wellenlänge von 850 nm sowie einen Single-Photon-Avalanche-Diode-(SPAD-)Empfänger. Die Entfernung wird aus der gemessenen Laufzeit des reflektierten Lichtsignals berechnet. Der typische Messbereich des VL6180X liegt bei 0 mm bis ca. 100 mm, wodurch er besonders für Kurzstrecken-Anwendungen geeignet ist.

Neben der Abstandsmessung integriert der VL6180X zusätzlich einen Umgebungslichtsensor (ALS), der Beleuchtungsstärken in Lux erfassen kann. Beide Messfunktionen sind über eine I²C-Schnittstelle ansteuerbar, was eine einfache Integration in Mikrocontroller- und Embedded-Systeme ermöglicht. Der Sensor arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 2,6 V bis 5,5 V und zeichnet sich durch einen geringen Energieverbrauch aus.

Typische Einsatzgebiete des VL6180X sind Objekterkennung, Hindernisvermeidung, Gestensteuerung, Abstandsmessung in der Robotik sowie Industrie- und Konsumerelektronik. Dank seiner kompakten Bauform, der hohen Messgenauigkeit im Nahbereich und der Unabhängigkeit von Umgebungslicht stellt der VL6180X eine robuste Lösung für präzise Kurzdistanz-Messaufgaben dar.

Hinweis: Integrierte Photodiode (ALS) funktioniert beim vorliegenden Modell nicht mit der Pololu Bibliothek.

Technische Übersicht

Eigenschaft	Daten
Modell	VL6180 ToF
Spannungsversorgung	VCC 3-5 V
Wellenlänge	850 nm
Kommunikationsschnittstelle I²C	400 kHz
I2C-Adresse	0x29
Messbereich	2-200 mm
Gewicht	11 g
Abmessungen	18,5 mm x 16,5 mm x 3 mm

Pinbelegung

Pin	Bezeichnung	Belegung	Signal	Arduino Uno R3
1	VIN	Betriebsspannung Vcc	3 V-5 V	VCC 5 V
2	2v8	2,8 V Ausgangsspannung bis 100 mA	2,8 V
3	GND	Masse	0 V	GND
4	GPIO	Datenbereitschaftspin GPIO	2,8 V
5	SHDN	Ausschaltpin	Um den Sensor abzuschalten, diesen Pin auf LOW ziehen
6	SCL	I²C Takt	SCL	D17/SCL
7	SDA	I²C Daten	SDA	D16/SDA

Messverfahren

Der verbaute Sensor VL6180X misst optisch die Entfernung mithilfe eines VCSEL-Infrarot-Strahler ( Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) und eines Näherungssensors und eines Umgebungslichtsensors. Es basiert auf die von ST patentierte FlightSense Technologie sie misst die Entfernung. Sie ermöglicht eine absolute Entfernungsmessung unabhängig von der Reflexion des Ziel Reflexionsgrades. Anstatt durch Messung der Lichtmenge die Entfernung zu schätzen, die vom Objekt zurückgeworfen wird (was erheblich von Farbe und Oberfläche beeinflusst wird), misst der VL6180X durch die Kombination eines IR-Senders, eines Entfernungssensors und eines Umgebungslichtsensor die Zeit, die das Licht benötigt, um zum nächstgelegenen Objekt und zurück zum Sensor benötigt (Time-of-Flight).

Das Modul ist für den Betrieb mit geringem Stromverbrauch ausgelegt. Annäherungs- und Umgebungslicht- Messungen können automatisch in benutzerdefinierten Intervallen durchgeführt werden. Mehrere Schwellenwerte und Interrupt-Schemata werden unterstützt, um die Host-Operationen zu minimieren. Die Steuerung durch den Host und das Auslesen der Ergebnisse erfolgt über eine I2C-Schnittstelle. Optionale Zusatzfunktionen, wie Messbereitschaft und Schwellenwert Interrupts, werden über zwei programmierbare GPIO-Pins bereitgestellt.

Messschaltung

Abb. 2: Verkabelung

Software

Arduino

Arduino-Bibliothek installieren

VL6180X von Pololu (1.4.0)

https://github.com/pololu/vl6180x-arduino

Installation über: Sketch → Bibliothek einbinden → Bibliotheken verwalten → VL6180X suchen

Wenn Sie die HSHL-Bibliotheksordner einbinden, sind alle Ordner bereits installiert.

Quelle:

https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner

Ziel:

c:\HSHL-User\Documents\Arduino\libraries

DemoTOFVL6180X.ino 

#include <Wire.h>     // I2C
#include <VL6180X.h>  // VL6180X von Pololu

VL6180X sensor;       // Instanz 

void setup() 
{
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  
  sensor.init();
  sensor.configureDefault();
  sensor.setTimeout(500);
}

void loop() 
{ 
  Serial.print(sensor.readRangeSingleMillimeters()); // Entfernung in mm
  if (sensor.timeoutOccurred()) { Serial.print(" TIMEOUT"); }
  
  Serial.println();
}

URL: https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoUnoR3/examples/DemoTOFVL6180X/DemoTOFVL6180X.ino

Simulink

Abb.3: VL6180X-Time of Flight-Laser-Abstandssensor in Simulink

Abb.4: VL6180X-Time of Flight-Laser-Abstandssensor in Simulink Einstellungen

Abb.5: VL6180X-Time of Flight-Laser-Abstandssensor in Simulink Begrenzung der Messreichweite

Messungen

Abb.3: VL6180X zu erwartende Messwerte in Abhängigkeit des Reflexionsfaktors laut Datenblatt Seite 12 DocID026171 Rev 7 von STMicroelectronics [1]

Video

Using one or more VL6180X 20cm Time-of-Flight proximity sensor with Arduino

Datenblätter

• Datenblatt VL6180X Modul cdn.shopify.com 02.04.2025
• Datenblatt VL6180X ST Microelektronics 02.04.2025

Literatur

• ST Api_Integrations Anleitung

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