船舶、飞机等发动机为减小体积，采用斜口管路焊接代替弯头连接，管路系统中端头位姿是焊接对齐的前提。针对斜口管路端头位姿的高效高精度测量难题，提出了一种通过重建管路轴线以及管路端面进行端头位姿精确测量的方法。通过获取种子圆柱并设计非线性寻优算法提高圆柱拟合精度，通过高精度种子圆柱扩散重建得到管路轴线。通过双曲率阈值搜索方法对管路边缘进行搜索，得到管路端面边缘点整像素坐标。通过对端面提取得到的整像素坐标进行椭圆拟合结合射线求交方法求解端面边缘亚像素坐标，从而避免插值方法计算亚像素坐标受环境光源影响大的问题。最后，使用逐点最小二乘法重建空间投影平面并在平面上得到残差最小空间椭圆，空间椭圆中心即为管路端点，该投影平面即为端面所在平面，实现了对端头位姿的精确测量。实验结果表明，该方法的测量精度达到0.05 mm，角度测量误差小于0.1°，基本满足斜口管路端头的位姿测量精度要求，对管路的装配具有良好的指导意义。

为验证光轴指向误差对光学姿态测量精度的影响程度，并为后续实况类设备实现姿态测量提供理论依据，以中轴线法为依据，对算法步骤进行拆分，并对光轴指向误差的影响进行溯源，得出指向误差影响姿态处理结果可从两个方面进行分析。同时对模型内交会算法的直接影响和模型外动态基准的间接影响进行推导分析，将仿真计算和实测数据进行结合验证，获取了在典型中长远光学姿态测量中指向误差200″对姿态角误差不超过0.1°的结论，为现有姿态测量可靠性分析以及后续靶场设备能力拓展奠定了理论基础。

为提高基于工业机器人近距离下空间平面位姿的求解精度，分析了由透视畸变引起的圆投影误差的变化规律，以物距与特征圆半径的比值作为衡量圆透视畸变误差的参数依据，提供了不同物距下的精度参考。推导了基于空间圆投影图像的三点相对位姿求解算法。定量的误差分析和实验验证表明，物距与特征圆半径比值在18以内像素精度在0.1~1像素时，算法精度平均可以达到0.1°，优于文中其他两种算法。

在基于视觉图像的位姿测量中，非线性位姿测量算法的全局收敛存在不确定性，测量结果取决于初值的选取，不能保证位姿测量的鲁棒性。线性位姿测量算法对图像处理的要求比较高，如果定位特征点图像坐标提取不够精确，会导致位姿测量精度降低。在自然光条件下，相机采集定位特征点图像，图像中高亮度区域的存在对定位特征点提取精度产生影响，进而使有效定位特征点数量减少，影响位姿测量精度。针对上述问题，文中提出了一种基于最佳偏振角的线性位姿测量方法：在相机镜头前加装线偏振片，根据Stokes矢量建立偏振片最佳偏振角度求解模型，在使用最佳偏振角度的前提下采集定位特征点图像，提取图像坐标；建立线性位姿求解模型，计算被测物体位姿。实验结果表明，该方法能够有效减少图像中的高亮度区域，改善成像质量，提高线性位姿测量精度，在−60°~+60°的测量范围内，角度测量误差小于±0.16°，在0~20 mm的测量范围内，位移测量误差小于±0.05 mm。

针对传统正交迭代算法计算效率低的缺点，提出了一种改进的正交迭代算法以实现基于单目视觉的空间目标位姿测量。首先在传统正交迭代位姿测量算法的基础上，消除迭代过程中的平移向量，使用平行透视模型代替弱透视投影模型进行旋转矩阵初始值的求解，从而实现正交迭代算法的加速求解。其次，利用仿真实验研究了特征点图像坐标提取精度、特征点空间三维坐标精度、相机焦距标定精度、相机主点标定精度及空间特征点数量对算法的精度和运算效率的影响。在此基础上，利用田口算法并结合仿真分析结果定量分析每个因素对算法精度的影响，明确每个因素对算法精度的影响力，找出对位姿测量精度影响最大的因素。最后，通过实物实验验证了改进正交迭代算法的性能，结果表明本算法运行时间短且具有较高的精度，同时，基于正交试验结果，可通过控制影响不同位姿参数的首要因素，使得改进正交迭代算法的精度满足不同的空间目标位姿测量任务的需求。