中国的探月工程已经进入到关键的决胜收官阶段,嫦娥五号探测器将承担起中国首次无人月面取样返回任务。精确地测量出采样器相对于探测器的位姿参数是完成该项任务不可或缺的先决条件。作为地面遥操作系统的重要组成部分,视觉位姿测量模块能够引导月壤表层采样机械臂按照规划的任务成功执行采样封装等基本操作。相比于地面应用场景,月面成像环境更加复杂恶劣,例如光照变化剧烈、空间辐射效应严重以及高温现象明显等,这些因素都给高精度的视觉位姿测量带来了极大的挑战。因而,研究月壤表层采样视觉引导中的相对位姿测量方法具有十分重要的战略意义和工程实用价值。为了有效提高月壤表层采样机械臂操作的效率和成功率,本文紧紧围绕月壤表层采样视觉引导中的相对位姿测量方法进行了系统深入的研究,针对图像匹配、鲁棒模型估计以及平面位姿估计等关键技术提出了一系列新的算法,并在此基础上设计了一套完整且可应用于月壤表层采样机械臂的视觉位姿测量系统。概括来讲,论文取得的主要成果体现在以下几个方面:（1）针对图像特征点匹配问题,提出了一种基于形状交互矩阵的迭代误匹配点剔除算法。算法主要利用低秩表示的抗噪特性来分离出候选匹配点集中的误匹配,首先通过引入形状交互矩阵作为候选匹配点的特征表达,然后利用余弦距离来比较形状交互矩阵各列向量间的差异,最后利用自适应阈值法来确定正误匹配之间的转点,并且设计了一种由粗到细的迭代匹配策略来削弱误匹配对形状交互矩阵计算的干扰。实验验证了算法对于噪声、大量误匹配、光照或视角变化等都具有一定的鲁棒性,同时还具有很好的匹配精度和计算效率。（2）针对基于区域的图像匹配问题,提出了一种基于最佳相似点对和区域加权的鲁棒模板匹配算法。为了解决传统模板匹配算法在非均匀光照、部分遮挡以及非刚体变形等特殊情况下匹配易失败的问题,算法选择曼哈顿距离作为由多个邻域像素点构成的图像块间的距离度量,并对滑动搜索窗口生成的匹配置信度图进行阈值化和加权均值处理。由于综合考虑了候选匹配区域自身及其搜索窗口邻域点的有效信息,从而有效提高了算法对光照不均、背景杂乱、图像噪声以及旋转几何形变等问题的鲁棒性。（3）为了提高视觉测量的自动化水平,提出了一种结合模板匹配和梯度峰值的对角标志自动提取算法。算法首先利用快速的模板匹配方法进行全图搜索,获取多个候选对角标志的位置,然后根据对角标志的几何结构特征和梯度峰值特性对候选标志进行筛选,最后利用相关系数拟合极值法提取出具有亚像素精度的角点。通过大量的实物实验,验证了提出的对角标志自动提取算法具有很好的鲁棒性、精准性及通用性,这些优点均表明该算法具有极高的工程实用价值。（4）为了提升离群点比例较高情况下的模型估计性能,提出了一种基于局部约束和RANSAC的两视图几何估计算法。算法将局部保持约束整合到通用RANSAC框架中。它利用局部保持约束在假设检验循环前剔除掉了大部分不可靠的候选匹配点,且根据局部保持得分来引导非均匀采样,以便更早地生成和验证可能性更大的正确模型。与其它引导型采样策略不同,提出的算法易于实现且不需要任何先验信息。在公开测试数据集上的实验表明,相比于其它处于领先水平的方法,提出的算法能够以更低的计算成本（在标准CPU上可达到毫秒量级）获得更准确、更稳定的模型解,特别是离群点比例较高的情况。（5）针对平面场景下的位姿估计问题,提出了一种联合点线特征的平面位姿估计算法。算法首先利用点线特征估计出目标平面与图像平面间的单应关系,然后将估计出的单应作为输入量代入到偏微分方程中,并计算出旋转矩阵的解析解,紧接着平移向量就能很容易地通过求解线性方程组得到,最后构建出结合点线特征二者物方误差的目标函数,利用非线性最小化优化方法迭代求解出平面位姿参数的最优解。算法具有很好的普适性和扩展性,既能单独利用点特征或线特征来估计平面位姿,还能将二者联合使用。实验结果表明该算法能大大提升了平面场景下位姿估计问题的精度、抗噪性能以及稳定性。（6）根据实际工程项目的需求,设计了基于视觉的月壤采样机械臂位姿测量系统。设计的系统不需要增加月球探测器的额外载荷,只利用探测器上已安装的监视相机以及探测器表面布设的少量合作标志就能够实现高精度的位姿测量。地面模拟试验表明,该系统能够很好地适应恶劣的太空成像环境,并且快速稳定地输出采样器相对于月球探测器的高精度位姿参数,显著提升了月球采样机械臂执行关键操作的工作效率和成功率。本文设计的基于视觉引导的位姿测量系统在嫦娥五号月面采样实际任务中已得到成功的应用,这也强有力地验证了该系统的有效性和实用性。