在各类复杂的地下盾构施工环境中,硬岩全断面掘进装备(简称TBM)中具备实时位姿测量功能的导向系统,为控制TBM掘进路线与设计轴线的偏差提供了最关键的技术支撑。为此,本文针对某新型混联式TBM,如何设计出一种低复杂度、高抗噪能力的光学标靶,以实现精确高效的TBM位姿测量方法,本文开展了以下研究工作:论文首先对当前主要的TBM导向系统研究现状进行了综述,对其技术方案及其特点进行了分析,针对现有某新型混联TBM具备两级推进系统的结构特征,提出了用于TBM位姿测量的单目视觉位姿测量方法。该法匹配设计了具有六个特征点按一定拓扑结构分布的激光光学标靶,根据射影不变性原理建立了拓扑结构中各个特征点的共线关系,并给出了其特征点排序算法及特征点的匹配算法。其次,针对如何实现光学标靶中激光光斑中心快速准确定位问题,提出了激光光斑中心等效光强定中算法,并对其中心位置精度和抗干扰能力进行了仿真和实验验证。结果表明,该法快速有效,中心位置定位精度高和抗干扰能力强。然后,根据摄像机标定原理,建立了摄像机标定模型,并选用ChArUco标定法进行摄像机内参的校准。在此基础上,结合弱透视投影原理,简化了多特征点PnP问题的线性求解。针对PnP线性求解精度不足和抗噪声能力弱问题,提出了一种基于重投影误差非线性迭代优化模型,使得线性方程组得到的近似解进一步逼近真实位姿,具有较高的精度和稳定性,最后采用ArUco作为位姿参照验证了算法的有效性。研究结果对新型混联式TBM导向系统的设计具有重要意义和借鉴价值。另外,论文设计的六点平面激光光学标靶,亦可以推广应用在相关领域,如机器人、无人机以及航空航天等高精尖领域。