视觉传感器的外参标定旨在建立视觉坐标系与外部标准坐标系之间的关系。设计了视觉测量合作靶球以实现视觉测量与仪器测量之间的合作测量。通过将视觉测量合作靶球与激光跟踪仪靶镜相互替换获取公共点在视觉坐标系和外部标准坐标系下的坐标,并利用公共点在两坐标系下的坐标对目标函数进行非线性优化,获得视觉传感器外参数最优解。视觉测量合作靶球的设计将靶标、光源和球形外壳相融合,以满足与跟踪仪合作靶镜的互换性和球心可测的需求。对外参标定过程中的误差传递进行了分析,并通过仿真优化标定精度,以及实验验证该标定方法的精度。结果表明,该方法的外参标定精度可达到0.036 mm,能够实现直接、灵活、高精度的公共点数据获取。

在室内组合定位系统中, 不同子系统之间相互姿态关系的确定是通过对准过程实现的。使用惯性器件进行组合定位, 通常航姿参考系统AHRS是以地理坐标系(E-N-U)作为导航坐标系。然而, 在室内导航任务中, 导航坐标系一般根据用户需求建立在厂内标志点或工装坐标系等自定义位置。针对这一问题, 提出一种将地理坐标系与自定义坐标系相互转换的新方法, 通过激光跟踪仪建立的外部基准, 提出了基于方向余弦矩阵的标定算法, 实现了地理坐标系与外部参考坐标系之间的相互转换。实验结果表明: AHRS任意位姿下的转换姿态角度均方根误差小于0.25°。

车间测量定位系统(wMPS)是一种新型的光电扫描分布式测量系统。为提高其动态坐标测量精度，对wMPS的动态坐标测量原理进行了介绍。以扩展卡尔曼滤波算法(EKF)为基础，建立了匀速直线运动模型。并对模型及算法进行了计算机仿真，结合仿真结果，以ABB IRB 2400工业机器人为实验平台，对所提出的方法进行了实物实验验证。实验结果表明：所应用的EKF算法不但可以替代传统的最小二乘算法，实现对运动物体轨迹的估计，还可以减少wMPS动态测量过程中的随机误差,提高精度,完全满足工业现场对移动物体测量定位的需求。

针对传统列车速度测量装置存在量程小、调试复杂等问题，基于扫描激光雷达技术，设计了一套适用于高速列车动态限界测量的列车速度测量系统。将扫描激光雷达固定在距列车10 m左右的位置上，根据激光脉冲飞行时间测距原理，沿列车行驶方向对进入扫描范围内的列车车身逐点扫描，获得由测量点组成的车身轮廓信息；通过最小二乘拟合车厢测量点，得到列车行驶轨迹，确定列车行驶方向；采用分段线性差值确定相邻两次测量周期内列车行驶的距离，完成列车速度的测量。结果表明：该测速系统操作方便，量程可达600 km/h，测速误差控制在±1.2%以内，可以满足高速列车速度测量需求。

由于近景摄影测量具有测量范围广、精度高和效率高等优点，其在大尺寸精密测量任务中承担越来越重要的角色。其中，基于平差优化的自标定测量模型是保证该方法实现高精度测量的重要原因。然而，随着越来越多的商业级单反相机应用到三维空间测量，发现其测量精度与专业相机相比有一定差距。经过大量分析发现，除了相机本身原因外，自标定模型过多地依赖相机内部参数，尤其是畸变参数，是导致测量精度降低的重要原因。为了降低参数化模型对测量结果的影响，提出一种不依赖相机内部参数的摄影测量方法。结合垂线法和Zeiss实验室标定方法，设计了一种针对大视场相机的非参数标定方法。经过不同图像间同名点匹配和平差初值确定后，便可建立基于角度信息的非参数测量模型。结合平差优化算法，完成对空间被测点三维坐标的精确解算。经过与传统摄影测量结果比对，证明该方法可以有效提高大视场单反相机的摄影测量精度。

本文针对传统飞机水平测量技术的缺点及劣势, 将基于工作空间测量定位系统的数字化测量技术应用到飞机水平测量工序当中, 精度得到提高的同时, 使得测量周期由原来的一天缩短到了一个小时。此外, 示范应用效果表明, 工作空间测量定位系统十分吻合大尺寸测量及装配等生产应用需求, 应用前景十分广泛。

针对传统的机器人柔性坐标测量方法中，机器人模型不完善及机器人固定参数不断变化导致测量精度难以提高的问题，提出一种基于双目视觉原理的全局实时校准方法，组建由两台相机组成的高精度全局校准单元，通过测量布置在机器人末端视觉传感器上的控制点阵，实时得到机器人末端的空间位姿，实现机器人在全局空间的精确定位。提出基于空间网格控制场的相机校准方法，构建像面坐标系上的残差库，实现相机在全视场空间内的高精度校准。实验表明，采用上述方法可实现±0.1 mm的双相机校准精度，整个系统的测量精度可达±0.15 mm，从根本上摆脱了机器人运动学模型及参数误差带来的影响，有效地保证了柔性坐标测量系统的精度。

光电振荡器的振荡频率与环路延时密切相关，同时其光学谐振腔由超长的光纤构成，因此有潜力实现大尺寸高精度的距离测量。光纤作为光电振荡器的核心元件之一，其长度不但影响振荡信号的谱纯度，还决定着距离测量的灵敏度。通过分析光电振荡器的工作原理及其进行距离测量的方法，分别得到了光纤长度与光电振荡器的谱纯度以及距离测量灵敏度之间的关系，并使用不同长度的光纤进行实验，验证了分析结果。在振荡频率的测量分辨力为1 Hz时，综合考虑距离测量时对测量灵敏度、振荡信号谱纯度、测量范围的要求以及环境扰动引入的误差，光电振荡器的光纤长度应该在1 km左右。

动态包络线是制定动态限界的主要依据，准确得到动态包络线是车辆设计过程中的一项重要内容，也是安全行车的重要保障。针对当前车辆动态包络线的获取主要通过计算手段这一情况，设计了高速列车动态包络线测量系统。系统基于双目视觉测量原理，利用大功率线激光瞬时光源构造测量特征，通过高速采集、处理、解算能反映列车动态偏移的被测信息，得到高速列车行驶过程中的动态包络线。提出了一种现场系统校准方法，快速、有效地建立双相机之间的位置关系、轨道中心坐标系及其与测量系统坐标系之间的转换关系。实验结果表明，系统测量精度可达±0.5 mm，实现了高速列车动态包络线的真实可靠测量，为高速列车动态限界的制定提供数据支持。

在高精度的摄影测量中，图像处理精度对整体测量精度起着至关重要的作用，但成像过程中摄像机对特征点图像的离散化采样，会造成图像与原始信号的失真，从而带来图像处理环节的误差。通过对图像处理过程中特征点总能量、能量分布弥散半径和图像处理窗口的特性分析，并以特征点中心位置、提取误差大小和能量密度函数的标准差之间关系为基础，提出一种针对离散化采样的误差补偿法。该方法仅需标定一次补偿参数，适用于所有摄像机和算法，可显著提升原有图像处理精度。实验证明，对于质心法和高斯拟合法，该补偿法可将图像提取精度提高到0.03 pixel。