以深空探测、空间站为代表的航天任务对大型航天器具有迫切需求。大型航天器舱体作为其关键构件,可为一系列舱外关键载荷提供支撑结构。因此,舱外载荷支架的制造精度将直接影响航天器的服役性能。为保证支架加工精度,需在整舱状态下对大尺寸航天器舱体支架安装形面及位置特征进行精准测量。而大型航天器几何尺寸大,载荷支架数量多、几何结构复杂、且分布跨尺度,实现载荷支架安装面的高精、高效、高可靠测量极具难度。本文提出一种基于激光跟踪仪远距离全局控制与结构光扫描仪近距离表面扫描的组合式高效测量方法。针对全局与局部跨尺度数据坐标转换误差大、多类型设备组合测量自动化程度低且测量效率低、及三维点云特征难提取等问题,开展了“激光跟踪-局部扫描”组合式测量的关键技术研究,搭建了组合式测量系统,实现了大尺寸范围特征几何形貌的测量。本文的主要研究内容包括:1.针对组合式测量系统组成特点和测量系统的精度需求,以基于对偶四元数的手眼标定算法为基础,结合ICP点云配准和普氏分析方法,提出了测量系统的标定算法。该方法可同时实现了扫描仪外参的高精标定和跟踪仪与机械臂的粗略手眼标定,并且在确保测量精度的前提下降低成本提高效率。最终通过实验验证,实现了多视角测量数据的高精拼接。在300mm范围内,系统的测量精度优于35μm。2.为解决扫描对象的特征提取和特征拟合等问题,首先根据测量对象的材质和尺寸,通过实验方法确定拍摄时的曝光参数范围和拍摄角度范围;然后针对测量需求和测量目标的特征,参考扫描仪输出的二维深度图像和三维点云两种数据格式,分别提出了基于图像处理和基于三维点云分割的两种特征提取算法,以实现对靶标球、支架特征面、小直径光孔的目标特征分割提取;最后研究了球面和平面的几何特征拟合算法。3.针对测量系统的自动化需求,并提高测量效率及可操作性,在Windows 10操作系统中,基于.Net Framework 4.7.2框架,采用C#语言和WINFORM界面框架,开发了自动化测量系统软件。软件综合了多线程、设备SDK、Halcon机器视觉库、以太网通信、Json等多项技术,实现了设备控制、数据采集、数据管理、点云图像处理、算法集成、图像显示和测量系统三维交互显示等多项功能。此外,在跟踪仪-机械臂手眼标定模型的基础上,软件利用Unity3D引擎搭建系统的三维孪生模型,实现了激光靶球的光路可达性预判。