为解决传统的大型矿用挖掘机依靠人工操作而导致的各种问题,无人操作的智能化大型矿用挖掘机开始发展。无人操作的挖掘机能够正常工作的前提是利用高精度的位姿监测系统实时监测挖掘机的位置和姿态,高精度的位姿监测信息不仅能够帮助挖掘机达到更高的满斗率,还能帮助挖掘机更加安全地卸料。国内关于位姿监测系统的研究对象主要局限于挖掘机的前端工作机构,通常只考虑挖掘过程中铲斗在挖掘机局部坐标系下的位姿,而不考虑挖掘机上车、底盘和卸料矿卡的位姿,此种位姿监测系统无法为完全无人化操作的挖掘机行走、卸料等工作提供数据支撑。因此本文设计了一套高精度的位姿监测系统,不仅能够完整的监测挖掘机和矿卡各个工作位置的位置和姿态,还拥有很强的可移植性,能够应用于大部分型号的正铲式挖掘机。本文在分析了大型矿用正铲式挖掘机的机械结构和工作模式后设计了挖掘机和矿卡的整体位姿监测方案,该方案主要利用GPS定位设备和IMU定姿设备确定挖掘机上车回转平台中心、底盘行走机构中心、铲斗齿尖和矿卡车斗中心在全局空间直角坐标系下的坐标和姿态角（滚转角、俯仰角、偏航角）。根据挖掘机和矿卡的位姿监测方案搭建了硬件系统,对GPS接收机、IMU、无线数传电台等主要设备进行了型号选择,并确定了硬件设备的连接方案和数据输出方式。搭建好硬件系统后,在上位机利用C++编程语言编写了软件程序,其中包括通信模块、数据解析模块、坐标转换模块和数据输出模块。完成位姿监测系统的设计后,详细分析了挖掘机行走、挖掘和回转卸料过程中的位姿监测误差。最后将位姿监测系统安装到大型矿用正铲式挖掘机的1:5缩比样机上进行静态位姿监测实验、行走实验、挖掘实验以及回转卸料实验,并对实验结果进行了分析。静态位姿监测实验结果表明,挖掘机和矿卡位置监测的最大误差为9.484cm,偏航角监测的最大误差为0.5°,滚转角和俯仰角监测的最大误差为0.4°,静态位姿监测数据精度很高。行走实验结果表明,挖掘机底盘中心位置监测的最大误差为8.976cm,动态位置监测数据精度很高,挖掘机的实际行走路线能够准确贴合规划好的最优行走路径。挖掘实验结果表明,进行多次挖掘后铲斗的满斗率平均为85%,相对于人工操作平均70%的满斗率提高了15%,挖掘机能够保证良好的挖掘效率。回转卸料实验结果表明,对于5s内完成卸料且回转角度为135°的情况,变速控制回转电机,到达目标卸料位置时铲尖的最大位置监测滞后误差减小了75%,挖掘机能够安全且准确的在目标卸料位置卸料。