智能交通系统中的车辆协作控制

本书针对下一代智能交通系统中的车辆协作控制这一核心技术，全面概括了著者及其团队在车辆协作控制领域的一系列研究成果，重点介绍了车联网中的车辆通信协调、基于车联网和车载传感器的自适应车辆巡航控制、非线性动态恶劣天气条件下车载传感器检测受限或失效时的车辆协作巡航控制、通信调度与车辆协作控制协同设计等关键技术问题及其解决方法。本书视角独特，选题侧重车联网的通信资源分配与车辆协作控制的协同设计，为下一代交通控制技术提供了新的思路和方法。本书注重理论和实践并重，既有严谨细致的理论分析和论证，又提供了丰富详实的仿真分析和基于智能交通实验平台的实验结果，不仅便于读者充分理解智能交通系统的有关概念和方法，也有助于读者快速掌握车辆协作控制算法并付诸实际应用。 

本书针对下一代智能交通系统中的车辆协作控制这一核心技术，全面概括了著者及其团队在车辆协作控制领域的一系列研究成果，重点介绍了车联网中的车辆通信协调、基于车联网和车载传感器的自适应车辆巡航控制、非线性动态恶劣天气条件下车载传感器检测受限或失效时的车辆协作巡航控制、通信调度与车辆协作控制协同设计等关键技术问题及其解决方法。本书视角独特，选题侧重车联网的通信资源分配与车辆协作控制的协同设计，为下一代交通控制技术提供了新的思路和方法。本书注重理论和实践并重，既有严谨细致的理论分析和论证，又提供了丰富详实的仿真分析和基于智能交通实验平台的实验结果，不仅便于读者充分理解智能交通系统的有关概念和方法，也有助于读者快速掌握车辆协作控制算法并付诸实际应用。

郭戈，男，1972年1月生，大连海事大学二级教授、博士生导师，IEEE高级会员，是Systems, Control & Communications国际期刊创刊主编，担任多个国际SCI期刊副主编及国内自动化领域期刊《自动化学报》编委、中国自动化学会过程控制委员会委员。在国际国内期刊发表论文200余篇，其中SCI／EI收录170余篇，在国家科学技术学术出版基金资助下出版学术专著3部。主持国家、省部级科研项目近20项，研究成果获辽宁省科技进步一等奖、甘肃省科技进步一等奖、辽宁省自然科学三等奖各1次，获发明专利和计算机软件著作权4项。培养博士、硕士及博士后70余人，指导学生获挑战杯省级一等奖。曾获甘肃省“十大杰出青年”提名、浙江省钱江学者讲座教授、大连市领军人才等荣誉。岳伟，男，1981年10月生，大连海事大学讲师。在国际国内期刊发表论文20余篇，其中SCI／EI收录16篇，主持1项国家科学基金及2项横向课题。

《电气自动化新技术丛书》序言第6届《电气自动化新技术丛书》编辑委员会的话前言第1章绪论111智能交通系统的背景与意义112智能交通系统研究的主要内容313车辆协作控制的发展3131纵向控制研究4132横向控制研究9133车辆综合控制研究1014全书内容安排1115符号说明12第2章智能交通系统中的分层式车辆协作控制1321车队建模与问题描述14211车队模型建立14212反馈信息异质的影响16213干扰及不确定性建模16214通信限制建模18215控制目标1822车队稳定性分析18221保性能控制器设计18222H∞控制器设计2123车队队列稳定性分析2524数字仿真2725小结34第3章分散式车辆协作控制3531问题描述3532设计分散式保性能控制器37321交叠系统解耦38322子系统控制器设计40323原车队控制器设计4333车队队列稳定性分析4434数字仿真4535小结49第4章传感器测量受限下的车辆协作控制5041问题描述51411协作式车队结构51412传感器测量受限建模51413车队控制系统模型5342车队稳定性分析5543车队队列稳定性分析6044仿真与实验63441数字仿真63442Arduino车队实验6645小结69第5章传感器失效下的切换式车辆协作控制7051建立车队模型70511协作式自适应巡航控制车队模型建立70512传感器失效影响71513控制目标及设计相关定义7252切换控制的控制器设计7353车队队列稳定性分析及控制算法7954仿真及实验81541数字仿真81542实验8555小结88第6章非线性车辆协作控制8961建立车队模型8962非线性PID控制器设计9063车队稳定性及队列稳定性分析9364数字仿真9765小结100第7章协作式车辆自适应保性能控制10171车队模型建立及问题描述101711非线性车辆动态模型建立101712控制目标103713控制器结构103714RBFNN描述10472车队稳定性及队列稳定性分析10573数字仿真111731非线性影响的实验112732对车辆动态不确定性的实验113733执行器延时的实验11474小结116第8章传感器测量受限下的非线性车辆协作控制11781问题描述117811车队模型建立117812传感器模型建立11882非线性鲁棒控制器设计119821Back-stepping控制器设计119822非线性鲁棒控制器设计12183仿真实验123831数字仿真123832实验12684小结130第9章传感器失效下的切换式非线性车辆协作控制13191车队模型建立以及问题描述131911非线性车辆动态模型建立131912传感器失效的影响132913控制目标13492切换控制器设计13493队列稳定性分析13694数字仿真13795小结138第10章执行器饱和及延时下的车辆协作控制139101问题描述139102H∞控制器设计142103车队队列稳定性分析以及控制算法148104数字仿真149105小结154第11章智能交通系统中的车辆调度与控制协同设计155111车队模型建立以及问题描述1551111车队建模1551112无线通信网络能力受限以及数据丢包对车队系统的影响1561113调度函数1571114系统模型变换157112车队控制与调度协同设计1591121单个跟随车辆稳定性分析1591122同时稳定性及可调度性161113车队队列稳定性与调度协同设计1651131车队稳定性分析1651132控制与调度协同设计算法166114数字仿真167115小结170第12章基于连续车辆间歇性通信的车辆协作控制171121问题描述1711211图论1711212车队模型建立172122保证车队稳定的控制器设计173123数字仿真176124小结179第13章通信受限的车辆协作控制180131协作式车队结构描述180132协作式车队队列稳定性描述180133考虑通信信道受限的车队模型181134协作式车队控制器设计184135数字仿真188136小结190参考文献191

蓬勃发展的车联网技术、智慧道路及无人车技术促使以智能车路系统为核心的新一代智能交通技术研究成为近年来的热点领域之一。智能车路系统是典型的信息物理系统，其中大量的车辆通过车联网交换信息，协调和同步车辆流高效通信且平稳安全行驶至关重要。由于高速行驶的车辆实时控制周期和接入网络的时间较短，无线网络状态易受环境及车辆影响，且车联网可容纳有限的车辆同时通信，车载传感器在恶劣条件下感知能力受限甚至失效，因此，智能交通系统中的车辆协作控制极具挑战性。 本书结合复杂车辆动态及智能车路系统中的车联网通信局限性、车载传感器感知能力受限及失效，系统地论述了车辆协作通信及控制的理论、方法和实验验证与分析。具体而言，针对车联网通信带宽限制导致的车辆流反馈信息异质问题，提出分层结构的集中式保性能车辆队列控制方法，将车辆队列描述为多子系统关联的交叠式系统，基于包含原理、解耦和车辆队列稳定性理论，得到分布式车辆队列控制方法体系。针对低能见度条件下的车载传感器测量范围有限问题，综合考虑燃油及制动延时，提出一种变结构保性能车辆队列控制算法；考虑恶劣天气条件下的传感器失效问题，基于切换控制理论中的平均驻留时间法，得到车辆队列稳定性与传感器失效率、采样周期之间的定量关系。后，综合考虑非线性车辆动态、车联网通信限制和其他不确定性因素，研究了车辆协作自适应巡航控制的变结构PID控制方法、自适应神经网络及反步法等非线性控制方法。在基于Arduino车辆的交通控制实验平台上验证了上述控制方法的实用性。 本书汇总了著者及其团队在车辆协作控制领域多年的研究成果，对智能交通系统及车辆控制等领域的研究人员及自动控制和交通系统工程等专业的教师具有较高的参考价值，也适合相关领域的研究生作为开展学术探索的参考书。 本书的撰写得到王丽媛、文世喜、赵园等研究生的大力支持，他们对书中的一些理论和方法做了大量的研究和仿真工作，对本书的出版提出过许多宝贵的建议。本书的研究工作和撰写得到国家自然科学基金、霍英东教育基金、*新世纪优秀人才支持计划项目的资助，在此表示衷心感谢。 著者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请广大读者批评指正。