精密定位平台向大行程、高精度、多自由度的快速发展,给当前的运动检测手段与控制技术带来了极大的挑战。由于具有非接触、高柔性、可视化等特点,以计算机视觉为基础的视觉技术具有解决上述问题的潜力。然而视觉技术中固有的缺点如计算量大、易受环境干扰等使其在精密定位领域应用中受限。本学位论文以平面多自由度并联定位平台为对象,应用机器视觉等技术,研究高性能(高精度、高带宽、高柔性)多自由度运动测量方法及视觉伺服理论。本文的主要研究内容如下:(1)针对具有不同尺度工作空间的平面多自由度精密定位平台分别设计了对应的视觉测量系统。针对微视觉测量系统视场和景深小等原因所导致的标定困难问题,提出一种基于直线元素的自动化标定方法。首先,对所搭建微视觉系统的非线性成像模型进行了介绍;然后,对所提基于直线元素的标定方法所涉及的主要原理和步骤进行了推导;最后,采用包含不同类型直线元素的标定板对所搭建的微视觉测量系统进行了标定实验研究。实验结果表明所提标定方法可以标定出微视觉测量系统的完整几何模型参数并有效提高微视觉测量系统的测量精度。(2)针对大行程宏动精密定位平台的位姿测量,提出了基于几何特征的退化透射N点投影法(DPnP)。该方法结合相机成像模型与射影变换,将平面三自由度运动跟踪问题转化为退化的PnP问题,并通过构造正规方程进行高效高精度求解;为了进一步提高该方法的测量精度,对影响测量精度的各种因素包括畸变、输入参数不确定度和不平行角误差进行了建模分析;最后,通过仿真和实验对所提方法的有效性及性能进行了验证,证明了所提方法具有较高的鲁棒性与测量精度。(3)针对微动精密定位平台的位姿测量,提出了基于灰度特征的优化模板匹配(IOTM)追踪法。在IOTM法中,为克服常规模板匹配方法计算量大、测量自由度少等缺点,将模板匹配与射影变换群相结合,使不同运动自由度运动追踪问题转化为不同的参数化优化模板匹配问题;然后,研究了有效的数值优化方法和优化策略,对上述多参数非线性优化问题进行高效高精度求解;最后,分别以平面平移变换和平面欧式变换为基础,研发了用于刚体平面2DOF线性位移和3DOF运动的追踪算法,并对所研发算法的性能进行了仿真和在线实验研究。(4)研究平面精密定位平台的视觉伺服定位方法。首先,以优化模板追踪为基础,提出一种基于区域模板匹配的视觉伺服方法,对该方法中的关键步骤包括误差函数和图像雅可比矩阵进行了推导;接着,将本实验室研发的微定位系统和本文研发的微视觉系统进行集成搭建了视觉伺服精密定位实验系统;最后,设计了对应的视觉伺服控制算法,分别通过仿真和在线实验对所提方法进行了实验研究,验证了所提方法的有效性。最后,对全文的研究内容进行了总结并对未来研究进行了展望。