随着工业制造、航空航天和基础建设等领域的技术进步,大尺寸测量技术不断的发展与创新。从传统的经纬仪、全站仪等到近几年新兴的iGPS和组合测量技术等,大尺寸测量的方式越来越多样化。为了实现精密测量,常规测量仪器要求三轴严格正交,从而决定了此类仪器的高昂成本。针对上述问题,本课题组提出了一种基于非正交轴系架构的测量仪器研发思路,并进行了一系列关键技术研究。前期研究主要围绕非正交轴系激光经纬仪和非正交轴系激光全站仪展开,对测量原理、参数标定等进行了理论分析和验证。其中,非正交轴系激光经纬仪测量系统的测量精度较高,但是受限于双站交汇的测量模型,其测量速度较慢。相比较而言,非正交轴系激光全站仪测量效率高,测量精度适中,且具有更低的成本。因此,可广泛用于一些精度要求不高,但需要快速测量的场合,例如桥梁形变监测等就是一个非常好的选择。本文从非正交轴系激光全站仪的架构入手,结合空间圆和空间直线拟合方法,对非正交轴系激光全站仪的内部参数标定技术进行了研究。研究了非正交轴系激光全站仪的正向运动学模型和反向运动学模型,推导了其测量模型。同时,为了提高非正交轴系激光全站仪的测量效率、降低瞄准误差,结合视觉定位测量技术,研究了一种粗引导和精引导相结合的视觉引导方法。最后,基于卓立汉光RAK100转台和Leica DISTO D810激光测距模块构建了非正交轴系激光全站仪样机系统,并与激光跟踪仪进行了对比验证实验。实验结果表明该新型测量系统可以实现毫米级的测量精度,满足了诸如桥梁、隧道、建筑等大尺寸空间、对象的测量应用需要。论文的主要研究内容如下:1、分析了目前大尺寸测量技术和仪器系统的研究现状,给出了非正交轴系测量技术和系统的概念,明确了非正交轴系视觉引导激光全站仪测量系统的研究内容。2、分析了非正交轴系激光全站仪的结构特点,并对非正交轴系激光全站仪的内部参数标定和正、反向运动学模型进行了理论分析。3、结合视觉定位测量技术和非正交轴系激光全站仪的结构特点,研究了粗引导和精引导相结合的视觉引导方案。4、在系统关键模块选型的基础上,搭建了系统样机,并基于MFC和OpenCV,编写了上位机控制和测量软件。5、针对非正交轴系激光全站仪系统样机进行了内部参数标定,与激光跟踪仪进行了对比测量验证,并对测量精度的影响因素进行了分析。