物体位置与姿态(位姿)的测量在航空、航天、舰船等装备制造领域有着重要的应用。随着这些大型高端装备对于装配质量的要求越来越高,无应力精确数字化装配以及柔性自动化装配成为近年来国内外研究的热点。其中测量辅助装配(Measurement Assisted Assambly,MAA),即利用现场手段获得装配位姿的实时检测数据并反馈、指导装配过程成为该问题的重要研究方向。本文对基于单目视觉原理的大型装备装配位姿测量的关键技术开展了深入系统的研究,主要内容和贡献包括:(1)提出并实现了大跨度范围内红外LED发光靶点的自适应光强控制及主动离焦模糊成像技术。在采用视觉方法对面向大型装备等占据测量空间较大的物体进行位姿测量中,应用本文提出的脉冲宽度调节结合多级电压自动切换的技术,成功解决了红外LED靶点近距离光强调节分辨率过低而远距离发光强度不足的问题,实现了靶点光强的自适应控制。针对视觉测量系统在对焦成像下,视场范围与景深有限等问题,本文在对点光源成像及衍射机理进行理论分析和实验归纳的基础上,对光阑形状、尺寸等成像参数进行了合理设计与配置,实现了对红外LED发光靶点成像光斑的主动离焦模糊。以上技术的提出和实现使得3~12 m跨度范围内不同距离和方位的靶点均能形成高质量的光斑图像。(2)经过对靶点光斑成像机理以及成像系统点扩散函数的深入研究,提出了基于自由曲面拟合的质心定位方法。通过对主动离焦成像的点扩散函数分析,靶点光斑图像灰度分布主要由散焦点扩散函数与高斯点扩散函数复合叠加而成,因此难以用简单解析曲面进行表达。本文方法首先对光斑灰度分布进行双三次样条曲面拟合,然后通过迭代求取单峰自由曲面的峰值点,从而精确确定靶点光斑质心位置。这一方法既避免了复合函数求解的复杂计算,又能准确描述靶点图像的灰度分布,实现靶点图像质心的精确定位。(3)针对面向大视场视觉测量的摄像机标定问题,提出一种基于多方位虚拟立体参照物的摄像机标定方法。为解决大视场标定中,大标定参照物难以制作而小标定参照物无法保证标定精度的问题,该方法利用精确移动控制装置,控制单个红外LED靶点在空间中多个预设位置间精确移动,结合摄像机对到达预设位置靶点的拍摄,在三维空间中构成一个虚拟立体参照物。针对虚拟立体参照物在大视场摄像机标定中只能覆盖一小部分标定空间的问题,该方法通过自由移动摄像机在多个方位对虚拟立体参照物进行拍摄,使得多个虚拟立体参照物分布于整个测量空间。利用每一个拍摄方位下解算出的摄像机内、外参数作为初值,通过对摄像机内参数以及各外参数进行全局优化,最终求解摄像机标定参数的最优解。该方法既便于实现,又显著提高了面向大视场测量的摄像机标定精度。(4)针对大型装备中被遮挡部位的位姿测量,设计了用于位姿测量的辅助靶标,将其与被测部位刚性连接,通过对靶标的位姿测量实现系统对遮挡目标的间接测量,对其中的辅助靶标标定这一关键问题提出了一套完整的解决方法,包括辅助靶标上各红外LED靶点相对位置标定,以及靶点坐标系与底座相对位姿标定(“靶/座”标定)。针对辅助靶标上红外LED发光单元所在准确空间坐标无法直接测得的问题,该方法基于多视图几何原理在相差一个尺度因子的情况下确定靶点位置关系,同时利用单个LED靶点的多次精确移动和图像叠加的方法,实现绝对尺度的恢复。针对“靶/座”标定问题,该方法基于精确控制运动的“靶/座”相对位姿标定方法,并进一步针对只用于物体姿态测量的辅助靶标,提出了一种分别沿两个垂直方向运动的简化“靶/座”标定方法,无需数控装置,仅需保证两运动方向垂直的结构,大大降低了标定过程中对标定设备的要求。(5)提出了基于靶点通道控制以及分布几何特征的靶点身份识别方法,解决了位姿测量中靶点图像坐标与其三维空间坐标的匹配问题。针对位姿测量中靶点目标的跟踪问题,采用最近邻域搜索结合靶点分布特征识别的自衔接跟踪方法,该方法既保持最近邻域搜索法的快速跟踪的优点,又能在目标移动过快,导致跟踪失败时,快速通过靶点分布特征,及时建立连接,实现跟踪的自动衔接。对n点透视问题展开了深入研究,实现了基于正交迭代方法的单目视觉位姿测量。(6)在基础理论和算法研究的基础上,构建了基于单目视觉原理的机载设备安装姿态校准原型系统Archer-M,设计并实现了其硬件平台,提出了软件的总体框架、各项功能算法以及交互界面,实现了摄像机标定、靶点坐标系标定、“靶/座”相对位姿标定、位姿测量等系统功能。利用研发的原型系统进行了大量实验,对系统性能进行了综合分析验证。