为了解决煤矿掘进机位姿测量的问题, 将一组反向同轴安装的工业相机和捷联惯性导航系统组装成测偏单元, 并结合视觉测量和惯性导航技术提出了一种基于空间矢量约束的实时位姿组合测量方法。该方法通过测偏单元测得激光指向仪光源光斑的空间矢量、掌子面光斑的空间矢量和掘进机的姿态信息, 建立空间矢量约束方程以及坐标系转换得到掘进机位置信息, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 通过该方法能得到掘进机实时位姿的六自由度信息。该方法可用于煤矿掘进机的位姿测量, 具有广阔的应用和发展前景。

针对煤矿井下巷道掘进机位姿的测量需求，采用双激光标靶的图像识别测量方式，构建了位姿实时检测系统。研究了激光标靶上光学特征点和特征光线的空间分布，提出一种基于双激光标靶的掘进机位姿解算方法。通过对图像数字处理得到精确的特征点、特征光线参数，实现对标靶参考点的精确定位，使用空间矩阵变换方法，解算出掘进机位姿参数。在实验室条件下建立机身位姿自动检测实验平台，模拟环境下的测试结果表明，在测量范围小于40 m时，位移误差小于2 mm，角度误差小于0.5°。该系统测量精度高，结构简单可靠，实时性强，能够很好地满足测量需求，实现对掘进机在煤矿井下掘进过程中的位姿检测。

为了提高单目视觉实时测量双护盾隧道掘进机前后盾相对位姿的精度, 引入高精度倾角传感器与单目视觉构成一种组合测量系统。该系统将两个倾角传感器分别与视觉传感器和特征点系统固定连接, 通过倾角传感器提供的多个角度约束, 结合单目视觉实现掘进机前盾体相对于后盾体位姿的更高精度测量。仿真实验表明该系统是可行的, 并且具有理想的精度。搭建了模拟双护盾隧道掘进机位姿变化的实验平台, 利用全站仪进行精度验证。结果表明系统的测量精度优于3 mm, 相对于单目视觉测量方法来说, 测量精度有了显著提升, 可以满足隧道施工中双护盾隧道掘进机位姿的精密测量需求。

提出一种采用光纤陀螺捷联寻北系统来获得全断面掘进机机头方位角的方法，有效避免激光导向系统因机内不通视和粉尘烟雾等因素影响测量精度的问题。获取陀螺仪输出的地球自转角速度水平分量以及机载倾角仪输出的俯仰角与滚动角，通过坐标旋转变换进行陀螺敏感轴倾斜误差补偿，并利用地球自转角速度在载体坐标系各轴的分量构造公式消除纬度值，采用四位置寻北法计算出掘进机机头方位角。将系统安装于全断面掘进机中进行实验，得到寻北精度为0.07°，满足隧道施工要求。

针对隧道施工中双护盾硬岩隧道掘进机位姿的精密测量需求，设计了一种组合式位姿测量系统。系统把单目视觉和激光标靶相结合，在利用激光标靶和全站仪完成掘进机后盾体位姿测量基础上，通过所设计的光学特征点空间分布模型，实现特征点的准确识别，根据特征点之间已知的几何约束关系和摄像机的透视投影模型，进行实时的图像处理和位姿解算，实现掘进机前盾体相对后盾体位姿的非接触式测量。系统建立了光学特征点、智能视觉传感器、激光标靶和全站仪之间的坐标转换关系，搭建了模拟双护盾硬岩隧道掘进机位姿变化的实验平台，并利用全站仪进行精度验证，最终完成掘进机全方位的实时位姿测量。实验结果表明：在30 m×3 m测量范围内，系统测量精度优于5 mm。测量系统具有精度高、抗噪声能力强和实时性好等优点，可满足隧道施工中双护盾硬岩隧道掘进机位姿的精密自动测量要求。