为解决6D激光标靶在受非引力外力作用的环境下姿态测量失效的问题,提出了一种基于激光标靶和捷联惯导系统(SINS)的组合位姿测量方法。通过推导卡尔曼滤波状态方程与观测方程,建立组合测量系统的卡尔曼滤波模型,利用卡尔曼滤波校正位姿误差和惯性测量单元(IMU)随机误差。在卡尔曼滤波模型中加入故障检测方法,使组合系统具有自监控功能。当激光标靶姿态失效时,仅使用校正后的SINS数据,保证系统的可靠性。最后,对所提方法进行仿真验证。仿真结果表明,该方法能有效地解决激光标靶姿态角测量失效问题,提高系统抗干扰性和动态性能。

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。

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。

针对目前工程测量领域六自由度测量存在精度低、实时性和便携性差等问题, 设计了一种激光标靶, 结合全站仪能够实现空间六自由度测量。在嵌入式平台上, 研究了一种以重心法为核心的光斑中心提取算法, 该算法重复性精度高、鲁棒性好。通过对相机的非模型化参数标定, 提出了一种姿态解算算法。实验数据表明, 激光标靶在全站仪坐标测量精度基础上, 滚转角和俯仰角测量精度可达 0.005°, 方位角测量精度可达 0.006 2°, 满足多种工程测量需求。

设计了一套基于激光准直技术的顶管机自动导向水平角测量系统。系统具有两套光靶激光测量装置。利用具有漫反射特性的标靶接收准直激光, 标靶图像经CCD相机采集后处理得到标靶上的光点位置, 根据光点位置的变化可计算得出顶管机机头偏转的角度信息。研究了图像处理算法和角度计算算法, 并搭建了实验测试系统。实验结果表明, 在100m的测量距离内, 系统水平角测量范围可达到±1°, 测量精度为0.01°,可以满足顶管机地下施工水平方位角的测量要求。