姿态测量在民用和军用等领域均发挥着极为关键的作用, 是实现和发展车载、船载、机载仪器设备的自动化与智能化的重要一环。因此, 针对具体的应用场景设计出满足相应需求的姿态测量系统, 研究不同类型的测量传感器数据的融合机理, 探索优化传感器布局与系统结构, 实现精确、稳定、鲁棒、适应性强的姿态测量具有广泛的应用前景和实用价值。介绍了视觉与双惯性组合测量系统的研究进展; 总结了组合测量系统中系统结构设计、视觉与惯性传感器外参标定、双惯性传感器差分研究和数据融合算法研究等关键技术的发展现状。根据现有研究情况, 对未来的视觉与双惯性组合姿态测量的发展进行了展望。

散斑结构光因只需投射一幅图像即可获取三维信息，成为近年来的研究热点。但利用散斑结构光进行三维信息获取时，存在散斑特征点匹配数量少、误匹配率高的问题，为此研究了散斑特征点提取与匹配算法。在分析散斑点区域灰度分布规律的基础上，提出一种基于灰度值比较的散斑特征点提取方法，通过比较窗口上相关像素灰度值进行粗提取，定义特征点响应函数消除冗余检测。匹配方面，建立散斑特征点描述子，提出一种基于描述子信息的多约束扩散匹配方法，首先通过多约束条件获得匹配度较高的种子点，生成种子点队列，其次利用队列中种子点的描述子信息，对描述子中未匹配的散斑特征点进行扩散匹配。实验结果表明，与其他方法相比，所提算法将匹配数量提高了35%以上，误匹配率降低到0.12%。

针对位姿测量系统会增加被测物重量的问题，设计了网格结构光的视觉位姿测量系统。提出了一种基于二维平面靶标的网格结构光标定算法，利用靶标和结构光的共面性，同时标定网格结构光和相机，实现被测物表面三维点云的获取。为了验证网格结构光点云测量精度，进行了结构光标定实验以及点云精度验证实验，结果表明点云精度在0.04 mm以上。研究了点云配准的位姿测量算法。采用采样一致性初始配准（SAC-IA）算法对测量点云与参考点云进行粗配准，为后续点云精配准提供较好的初始位置。采用改进的迭代闭合点（ICP）算法进行点云精配准，引入随机采样一致（RANSAC）算法和法向量阈值过滤匹配点，以点到面的距离为误差函数，实现位姿测量。进行了点云配准算法对比实验和位姿测量实验，实验结果证明：被测物发生旋转运动时，该系统的最大误差不超过0.25°；平移运动时，最大误差不超过0.35 mm。

在完成对投影仪的参数标定后可将投影仪看作另一个相机,并将其与双目相机组成三目立体视觉系统。不同于借助高精度平面靶标的传统标定法,本文只需一个简易制作的无标识白纸靶标即可获得由双目系统提供的特征点世界坐标。使用线性模型和包含薄棱镜畸变系数的畸变校正模型完成对投影仪的初步参数标定,采用改进的光束平差法对投影仪与双相机的参数进行全局最优估计。标定验证实验结果表明,改进的光束平差法可以实现参数的优化。对标准平面的测量对比实验证明,三目立体视觉系统可以提高测量精度。

为了减小MEMS陀螺仪中存在的随机误差, 结合经验模态分解(EMD)和变分模态分解(VMD)提出了一种随机误差自适应补偿方法。首先通过EMD将信号分解为多个本征模态函数(IMF), 利用连续均方误差(RMSE)和概率密度函数相似性将所有的IMF划分为噪声主导IMF、噪声与信息混合IMF和信息主导IMF, 并对噪声与信息混合IMF利用软阈值区间法(SIT)进行初步降噪; 然后将有效模态个数作为VMD所需分解的带限本征模态函数(BLIMF)个数, 对初步去噪后的信号利用VMD进一步去噪, 将所得各BLIMF与原始信号的相关系数(CC)作为是否将模态视为噪声模态加以舍弃的依据。为了验证算法的有效性, 对分段匀速运动下的陀螺仪信号进行实验分析, 去噪后均方根误差为原始信号均方根误差的0.042 2,是EMD-SIT去噪算法的68.75%。

点云配准是基于RGB-D(RGB-depth)传感器的室内场景重建的关键技术之一。针对稀疏建图中关键帧间的点云配准问题,提出一种基于改进的随机采样一致性(RANSAC)的场景分类点云粗配准算法。首先分别利用几何信息与光度信息进行关键点的检测、描述与匹配,然后由场景分类算法判断场景类别,适应性地结合几何匹配与光度匹配,最后提出一种改进的RANSAC算法,通过有偏重的随机采样与自适应的假设评价,对关键帧间的变换矩阵进行估计。采用公开的RGB-D数据集对整体的点云粗配准算法进行实验验证,并与多种算法进行比较。实验结果表明,该点云粗配准算法能够实现稳健有效的变换矩阵估计,有助于后续的精配准与整体的室内场景重建。

提出一种基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统,采用一个激光投影仪投影大幅条纹,多相机分布式采集的方法扩展视觉三维测量系统的测量范围。标定过程首先使用小型平面靶标标定基准相机二维图像坐标和相位值到三维世界坐标的映射关系,之后在相邻相机部分视场(FOV)重合的前提下,利用柔性靶标定位标定相邻相机图像坐标的转换关系,最后将各个相机的图像坐标全部转化到基准相机的图像坐标系下完成图像拼接,由基准相机图像坐标到世界坐标的映射完成全局三维测量。实验结果表明,使用图像拼接方法的测量精度略低于相机单视场测量的精度,但精度损失较小,满足工业在线测量的要求。该方法避免使用昂贵的辅助测量仪器和加工高精度大型靶标,为多相机视觉测量提供了成本低、使用方便的解决方案。

为了满足电缆生产过程中长度在线测量的需要, 设计了基于激光多普勒测速原理的电缆长度在线计米系统。阐述了激光多普勒测速基本原理, 设计了一种结构紧凑的双光束双散射型光路。提出了基于有限长单位冲激响应(Finite Impulse Response, FIR)滤波器的滤波带自适应选择算法, 有效地滤掉基底信号和部分噪声, 减小了多普勒信号噪声的影响, 改善了信噪比; 利用能量重心校正技术进行频谱校正, 减小了系统的测量误差。搭建了实验装置, 进行了对比测量实验, 实验结果表明: 该系统能实时、准确的进行长度在线测量, 相对误差小于0.1%。