应用双准直光束测量滚转角时，双准直光束夹角易受环境变化、机械形变等因素的干扰，严重影响测量精度。双准直光束测量滚转角对光斑位置敏感，而偏振测量滚转角取决于入射光的偏振态，受激光角漂的影响相对较小。因此，为提升长距离下五自由度测量中滚转角的误差测量精度，提出了一种基于偏振的双准直光束测量滚转角的自校准方法，在导轨的不同位置使用双准直光束和偏振分别测量接收端的滚转角姿态，计算出双准直光束夹角，进而校准双准直光束测量结果，提升测量精度。实验结果表明：在测量范围为0.75~2.00 m内，校准后滚转角测量误差减小88.97%，满足长距离实时滚转角测量对高精度、易装调的要求。

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵, 提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法, 并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型, 根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统, 采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法, 保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证, 并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明: 在±20′的视场范围内, 三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″, 2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高, 且易工程实现三维姿态角的测量。

为了实现工业中较大直线位移上的滚转角快速测量, 设计了一种基于激光外差干涉技术的几何空间对称四光路滚转角测量系统, 并针对缺少滚转参数的较大行程位移台, 进行了滚转特性测量试验。试验证明, 几何空间对称四光路滚转角测量系统稳定性好, 抗干扰能力强, 不仅有效消除了其它自由度误差的串扰, 还能够高效地测出不同精度直线位移台的滚转特性, 并灵敏地再现了直线位移台工作条件发生改变时工作台滚转角变化。使用常用的2π/512细分的相位计和宽度为120 mm的楔面反射镜, 系统角测量分辨率为0.8″, 最大可测行程达到6 m。若将相位计细分提高100倍, 滚转角的测量分辨率将达到0.008″。当楔面反射镜宽度提高1倍, 最大可测行程超过10 m。

所有的机械导轨运动副都具有三个回转自由度或称作为角运动误差,包括俯仰角、偏摆角和滚转角误差，其中滚转角由于其产生的特别原因，而最难测量。针对现有的以对称的双楔角棱镜和对称的双楔面反射镜组成的滚转角测量干涉仪，提出了利用单楔角和单楔面反射镜的高精密滚转角测量干涉仪系统。由于系统所需光学元件较少，在实现相同测量分辨率的情况下，更有利于光学元件的加工和安装调试。系统中不同频率的两束光的传播路径相互平行，因此能够有效地减小死程误差和排除其他自由度的干扰，系统稳定性更好。使用普通的2π/512 细分相位计，滚转角测量分辨率为2 μrad。

对于滚转角测量精度低并且难于测量的问题, 提出了一种基于准直光束光斑位置变化的高精度滚转角测量方法。当被测物转动时, CCD上2光斑位置随之改变, 2个光斑中心连线斜率亦改变。斜率变化由被测物俯仰、偏摆、滚转运动引起。在测量系统中基于自准直原理测量偏摆角和俯仰角, 运用相关的算法, 消除由偏摆和俯仰运动引起的滚转角误差, 从而实现滚转角的精确测量。同时运用Zemax建立系统仿真模型, 进行了滚转角的仿真实验测量。将仿真实验结果输入到滚转角解算模型中解算, 结果表明: 在0～1 800″范围内滚转角的解算值与Zemax的设定值完全一致, 由此验证了测量方法的可行性及正确性。

精密直线运动系统在高端加工制造等领域具有重要地位，六自由度误差的高精度测量方法与技术是提高其精度的必要手段，而滚转角误差是其中最难测量的一个参数。总结并介绍了目前国内外的多种滚转角测量方法，给出了每种测量方法的原理和发展现状，比较了各种方法的优缺点，讨论了其发展趋势。

提出了一种基于双CCD的滚转角测量方法。测量系统包括两部分: 移动部分由通过连接杆连接的两个CCD组成, 连接杆固接在被测物上; 固定部分包括光源、光开关和两个光学准直器, 可以得到两路分别以一定角度相交入射到两个CCD上的准直光束。被测物发生滚转变化时, 两CCD也同步变化, 通过投射在其上的两个光斑位置变化, 可求解出滚转角变化。MATLAB仿真证明被测物的各平动变化对滚转角测量无影响, 在200″范围内的俯仰和偏摆变化, 引起的滚转角测量误差不超过1″。搭建了滚转角测量实验系统,并与HP5529A双频激光干涉仪测量结果进行比对。测量结果表明, 在1000″的测量范围内, 系统滚转角测量偏差最大不超过1.5″。

针对某小型样例无人机横侧向转动惯量小、副翼效率高等特点，设计了以滚转角速率为内回路的滚转角、航迹角和航迹跟踪控制律。根据各控制指标与性能加权矩阵Q、控制加权矩阵R的关系，确定了Q阵和R阵，应用鲁棒伺服LQR优化方法，给出了滚转角控制律参数。与常规的滚转角控制器比较表明，以滚转角速率为主控变量的控制器抗干扰能力强，满足样例无人机横侧向控制的要求。

为了精确测量航天器对接过程中最终逼近段航天器间的滚转角，设计了基于方波磁光调制的滚转角测量系统。利用法拉第磁致旋光效应并结合马吕斯定律，建立了方波磁光调制后输出信号的模型; 通过分析输出信号的特点，推导了输出信号与滚转角之间的关系方程; 利用滚转角变化过程中输出信号的增减性组合去除了方程的增根，最终得到了基于方波磁光调制的滚转角测量模型。仿真结果表明：文中提出的方法理论测量精度高，可测量-90～90°间的滚转角，优于传统方法。此外，利用方波信号调制具有数据采集简单、信号处理难度低等优势，是实现高精度大范围测量航天器间滚转角的一种新方案。

机械导轨运动副滚转角的高精度测量一直是一个难题。研究了很多光学方法, 但由于其角位移方向正好垂直于探测光束, 所以仍没有得到很好的解决。利用激光偏振面对旋转的敏感性, 通过测量由此引起的正交偏振激光光强、相位或频差的变化, 可有效地解决滚转角的测量问题。介绍了目前国内外基于正交偏振激光的滚转角测量技术, 根据其测量原理分为光强差测量、相位差测量和频率差测量三类。对每种测量方法的原理和发展现状进行了评述, 比较了各种方法的优缺点, 讨论了其发展趋势。