多台激光跟踪仪组成的测量系统能够得到高精度的坐标观测值，在加速器准直工程领域应用十分广泛。该系统需要自标定仪器中心的距离，目前基于球面拟合的自标定方法虽然测量效率较高，但是其精度有限。为了提高其精度，分析基于拟合的自标定方法精度较低的主要原因，提出了基于三角形结构的自标定方法，定量对比了新方法和基于球心拟合方法的精度。新方法建立非线性误差模型进行参数迭代求解，能够应用于激光跟踪仪的三维自标定。通过模拟仿真和实测实验，证明了该方法比基于球心拟合的自标定方法在精度上有了大幅度提升。文中算法无需增加额外设备，改进了原先基于球心拟合方法并提高其自标定精度，具有一定的工程应用价值。

治疗室与其机器人是重离子治疗装置（HIMM）精准治疗系统的重要组成部分，为了提升重离子放疗过程中患者摆位的精度和效率，研究一种使用激光跟踪仪和其配套软件SA将运载治疗床的机器人基座坐标系与治疗室坐标系统一的方法，通过图形拟合的方法确定了标定点在法兰盘坐标系中的坐标；通过数学模型的搭建完成了机器人法兰盘坐标系和基座标系之间的坐标变换；利用SA软件中最佳拟合算法求出了治疗室坐标系与机器人坐标系之间的变换矩阵，完成了坐标系的统一。在HIMM中的实际应用表明，坐标系的统一方法的使用不但简化了标定点在法兰盘中心坐标系中坐标的标定，简化了法兰盘中心坐标系和基座标系转换的计算过程，而且标定精度良好、效率更高，更加符合重离子精准治疗系统及其他工业应用。

当前加速器准直主要采用激光跟踪仪进行三维空间位置测量，三维测量数据用三维平差方法计算从理论上讲更为严密，但在实践中却发现存在误差累积现象，其中在高程方向的误差累积十分明显。为了控制三维平差高程方向的误差累积，研究将大地水准面做为基准引入测量和数据处理过程之中，获得基于大地水准面的高程测量数据，用高程数据构建约束条件方程，进行附有高程约束的三维平差。以激光跟踪仪为例给出了三维平差函数模型，研究了约束方程的构建方法，推导了附有高程约束的三维平差计算公式。研究了附有高程约束的三维平差函数模型的两种应用方法，通过模拟计算展示了这两种方法对高程方向误差累积的控制效果。最后对一组实测数据采用多种平差方法进行计算对比，结果显示附有高程约束的三维平差相比无高程约束的三维平差能够更有效的控制平差中高程方向的误差累积。

针对航空航天、汽车装配等高端制造领域对姿态测量的迫切需求，提出一种面向激光跟踪仪的快速高精度姿态测量方法，利用深度学习结合视觉PnP模型实现了激光跟踪过程中被测件姿态的自动测量。针对PnP姿态求解模型所需的3D特征点和2D特征点之间的对应关系难以直接确定的问题，设计了一个特征提取网络用于提取特征点对应的高维特征，采用最优传输理论确定特征向量之间的联合概率分布，从而完成3D-2D特征点的自动匹配；使用Ransac-P3P结合EPnP算法对匹配好的3D特征点和2D像素点进行姿态求解，获得高精度的姿态信息；在此基础上，利用隐式微分理论计算PnP求解过程的雅克比矩阵，从而将PnP姿态求解模型集成到网络中并指导网络训练，实现了深度网络匹配能力与PnP模型姿态求解能力的优势互补，提高了解算精度。最后，制作了一个含有丰富标注信息的数据集，用于训练面向激光跟踪仪的姿态测量网络。基于高精度二维转台进行了姿态测量实验，结果表明，该方法在3 m处对俯仰角的测量精度优于0.31°，横滚角精度优于0.03°，单次测量耗时约40 ms，能够实现激光跟踪仪的高精度姿态测量。

为了解决镜面反射式激光跟踪干涉测长方法在不同尺寸长度标准溯源中缺乏有效的误差分析，测量效率低等问题，文中研究了平面镜调节分辨率、平面度引入的长度测量误差，并给出了针对不同长度的平面镜角度调节允许范围。建立了镜面反射式激光跟踪干涉测长模型，分析了该模型的测量不确定度来源，模拟仿真了平面镜角度调节的影响，并进行了坐标测量机长度测量比对实验和平面镜角度调节实验。实验表明：长度测量比对的E_n验证结果小于1，证明了长度测量不确定度的准确性。通过针对不同长度的平面镜角度调节实验，得到了测量不确定度为3 $ {\text{μm}} $ (长度1 m)和3.7 $ {\text{μm}} $ (长度2.5 m)的测量结果；同时，测量效率提高了56%，验证了此方法的准确性、高效性。文中方法实现了长度的高精度测量与测量不确定度分析。

以中国散裂中子源CSNS的直线加速器控制网为例，对其数据处理方法进行研究，采用平面与高程二维平差以及三维定向平差两种方式对准直控制网进行处理分析。同时，为了使准直数据处理更加简易便利，提出利用激光跟踪仪的测量软件SA实现三维定向平差的方法。通过不同软件及不同数据处理方法的对比，验证准直控制网数据处理的正确性，最终200 m长直线控制网点位精度优于0.2 mm，这为准直控制网的数据处理提供了指导。

为了解决机器人工具坐标系标定时标定精度不高、效率较低的问题，提出一种基于激光跟踪仪的工具坐标系快速标定方法。首先，分析机器人末端法兰盘的结构，根据法兰盘上各点的相对位置关系，利用激光跟踪仪及几何法原理进行工具坐标系的位置标定；其次，控制机器人沿工具坐标系的X轴和Z轴方向分别运动，根据工具坐标系和法兰末端坐标系的相对位姿关系进行工具坐标系姿态标定；最后，利用基于距离约束的工具坐标系标定方法和本文提出的几何法标定结果进行精度对比分析。实验结果表明几何法进行工具坐标系后机器人定位精度能达到0.692 mm，与距离约束法的工具坐标系标定精度相当；同时几何法不需要机器人运动，只需测量机器人末端的6个点就能实现工具坐标系的位置标定，且机器人末端更换新的工具后只需测量一个点就能实现新工具的位置标定。实验表明，几何法标定实验过程为3 min，而距离约束法实验过程为8 min，标定效率提高了62.5%，说明该方法具有高效率和高精度的特点，能够满足高精度任务作业的实际需要。