随着汽车船舶、轨道交通、航空航天、军事国防等高端制造领域以及各类先进科研建造领域的飞速发展,姿态测量技术被普遍应用于此类建造工程以及高精密加工制造领域,同时测量环境的复杂性和测量的高精度要求都对姿态测量提出了更大的挑战。实现高精度姿态测量在工程建设及制造中对于提高生产效率、制造精度、施工合理性以及建设安全性有着重要影响。本文针对现代生产及建设中对于姿态角高精度测量的需求,构建以激光跟踪设备为基站的姿态测量系统,提出了一种基于PSD与单目视觉的姿态测量方法,并搭建了测量系统软硬件平台,验证了测量方法可行性。全文依次从选题背景、测量原理、系统搭建、误差分析、实验结论等方面展开论述,主要研究内容如下:1)提出一种激光跟踪姿态测量方法。依据激光光束单位向量在不同坐标系下的不同表现形式建立转换关系,提出一种基于PSD与单目视觉姿态组合测量方法,研究了基于PSD的光束向量测量、基于单目视觉的横滚角测量以及坐标系相对姿态标定方法,在此基础上搭建了姿态角数学解算模型。2)搭建了激光跟踪姿态测量系统。从硬件层面完成测量系统设备选型、平台搭建及合作靶标设计制作;从软件层面实现了数据预处理、图像处理、特征点匹配、姿态角解算等功能并完成姿态测量界面程序的设计。3)建立了姿态测量系统误差分析模型。分析测量系统主要误差源,建立测量系统误差模型,基于蒙特卡洛方法完成误差仿真分析。基于误差分析结果,提出误差矫正方法。4)完成了姿态测量实验验证。结合现有实验设备,搭建姿态测量实验平台,选用三自由度摇摆台作为载体,使用六轴绝对关节臂姿态角测量值作为角度变化量基准,完成重复性测量实验及姿态测量实验。实验结果表明:姿态测量系统具有良好的稳定性,姿态测量系统在有效角度测量范围[-20°,20°]内、测量距离2.5m处,姿态角测量误差绝对值可小于2°。