位姿测量是现代控制、导航、跟踪等许多领域研究的一个重要课题,要求位姿测量系统具有精度高、实时性强、安装方便等特点。计算机视觉位姿测量系统以其众多优点在航天器近距离对接、大型工件现场安装过程中的应用已经受到了广泛的重视。基于单摄像机的视觉测量系统结构简单、无需立体匹配,能够满足位姿测量系统的要求,但已有的基于单摄像机的位姿测量系统在测量精度及测量速度存在严重的矛盾,因此研究一种基于单摄像机的位姿测量系统,有很大的应用前景和意义。在本文中,位姿测量系统研究分为理论研究、硬件设计和软件设计三个部分。通过理论研究确定了基于单摄像机成像理论、利用四个共面特征点的P4P问题的测量方案,确定了基于二次线性插值高斯曲面拟合的点目标图像特征点中心精确定位方法;硬件上设计了特征点测量模板的机械结构及红外LED的优化控制电路,为图像特征点的精确定位算法及位姿测量算法的实现提供了前提保证;软件设计部分主要针对图像特征点的提取及匹配,构建合理的计算机分析流程,同时,为了满足测量系统的实用性,设计了测量系统的用户操作界面。特征点相对距离精确校准、摄像机内参标定实验是提高系统测量精度的前提;图像特征点中心定位实验验证了二次线性插值高斯曲面拟合方法的精确性;提出了一种对特征点不共面性误差快速修正的空间几何约束方法;同时,用5自由度运动平台模拟了物体位姿变化,用其对测量系统进行了整体调试,实验验证了整个测量系统的稳定性及准确性;通过分析测量系统的误差来源,分析得出了测量系统的最大误差,结果表明:测量系统对目标相对平移位置测量的最大误差为(0.056+0.03×Z,测量距离Z的单位是m),在1~10m范围内,位姿旋转角的测量误差小于0.05?。