基于DSP激光测距传感器滤波算法的研究

张锶戬（第一作者） ,史春景（第二作者）

（沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳 110159）

摘要：激光传感器在实时测量距离时，易受到环境噪声等因素的影响，导致测距时误差大。因此提出一种基于DSP硬件平台的滑动均值滤波算法，通过对激光传感器反馈的信号进行滤波处理，提高测量精度。实验结果表明，滑动滤波均值算法可有效地降低激光器测量距离的误差，提高系统稳定性。

关键词：DSP；数字信号滤波处理；滑动均值滤波算法；激光测距 

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0引言

激光测距主要类别有直射式三角定距、距离选通定距、脉冲鉴相定距、脉冲激光定距等方法，其测距精度受硬件条件与测量机制限制，在测量过程中均易受环境噪声影响。唐海峰等通过不同测距机制对精度的影响进行了研究，周继裕等对滑动滤波均值算法进行了研究，周翔等通过滑动均值滤波算法对传感器信号的滤波作用进行了研究。

根据前人的研究基础，本文提出了一种应用DSP硬件平台的滑动均值滤波算法，使用DSP的AD采集信号，通过滑动均值滤波算法对回波信号进行滤波处理，加以实验验证。

1脉冲激光测距原理

实验采用激光脉冲传感器，其工作原理为，激光发生器发出一束脉冲信号激光，照射在被测表面后，目标产生漫反射，反射的信号通过激光接收器接收，转化为电脉冲信号。经过一系列信号处理，将发射与返回信号的时间差进行换算得到测量距离[1]。

2滑动均值滤波算法原理

本文采用滑动均值滤波算法，通过DSP上的AD采集的回波信号，并进行数字信号滤波。

滑动均值滤波在连续域下表达式[2]：

滑动均值滤波算法的原理是通过滑动窗口进行动态求和，将激光器的回波信号进行AD转换后，设窗口大小为N=2M+1，将2M+1个模拟电压信号形成滑窗，随着采样数据的更新向后滑动，每一次移动，需要添加一个新数据，并且舍弃一个旧数据[3]。

在实际的AD采样中，由于DSP系统采样率的限制，滑动均值滤波一般以离散的形式出现，需要在采样的时序中取M个点，进行逐点采样滤波，滑动均值滤波算法第i次采样滤波可以表示为[4]：

其中滑动窗口的大小为N=2M+1，当窗口数较小时，历史数据对滤波后数据影响较小，当窗口数较大时，历史数据的权重更大。滑动均值滤波算法可有效地降低系统受到突变噪声的影响，可以提高系统的稳定性[5]。

3滑动均值滤波算法实验验证

图1为激光器距离被测目标10m时，在DSP的CCS系统Graph中显示的AD模块采样的距离数据信息，其中蓝色部分曲线为未添加滑动均值滤波算法时，激光测量的距离信息曲线，红色部分为添加滑动均值滤波算法时，激光测量的距离信息曲线。由图像易知，在未添加滑动均值滤波算法时，距离信息在测量误差与系统误差共同作用下，存在40cm左右的误差波动，在添加滑动均值滤波算法后，距离误差缩小到10cm左右。

图1 滑动均值算法滤波前后数据对比

4结束语

本文提出一种基于DSP激光测距传感器的滑动均值滤波算法，与传统的激光测距传感器测量的距离精度相比，添加滑动均值滤波算法可以对激光测距传感器的精度有30cm的提高，将误差范围缩小到厘米级，能够抵抗突变噪声的干扰，并对整体的测量稳定性有大幅度的提高，通过软件的形式在CCS平台对信号进行数字信号滤波处理，便于激光系统的调试与升级。

参考文献

[1]唐海峰,孙德刚.脉冲激光近炸引信鉴相体制实验误差的研究[J].激光杂志,2005(02):79-80.

[2]周继裕,陈思露,符少文.基于均值滑动滤波算法和STM32电子秤的设计[J].现代电子技术,2017,40(10):10-12+15.DOI:10.16652/j.issn.1004-373x.2017.10.003.

[3]周翔.滑动平均滤波算法在超声波探伤仪中的应用[J].武汉职业技术学院学报,2018,17(06):98-100.

[4]胡芳凝,王忠,刘超群.快速滑动平均滤波在PPG信号去噪中的应用[J].物联网技术,2019,9(06):41-43.DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2019.06.012.

[5]张正蕾. 滑动平均滤波实现一体化同步发电机输出均流控制的研究[D].哈尔滨理工大学,2021.DOI:10.27063/d.cnki.ghlgu.2021.000133.

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