《智能交通係統中的車輛協作控製》針對下一代智能交通係統中的車輛協作控製這一核心技術,全麵概括瞭著者及其團隊在車輛協作控製領域的一係列研究成果,重點介紹瞭車聯網中的車輛通信協調、基於車聯網和車載傳感器的自適應車輛巡航控製、非綫性動態惡劣天氣條件下車載傳感器檢測受限或失效時的車輛協作巡航控製、通信調度與車輛協作控製協同設計等關鍵技術問題及其解決方法。本書視角獨特,選題側重車聯網的通信資源分配與車輛協作控製的協同設計,為下一代交通控製技術提供瞭新的思路和方法。本書注重理論和實踐並重,既有嚴謹細緻的理論分析和論證,又提供瞭豐富詳實的仿真分析和基於智能交通實驗平颱的實驗結果,不僅便於讀者充分理解智能交通係統的有關概念和方法,也有助於讀者快速掌握車輛協作控製算法並付諸實際應用。
《智能交通係統中的車輛協作控製》針對下一代智能交通係統中的車輛協作控製這一核心技術,全麵概括瞭著者及其團隊在車輛協作控製領域的一係列研究成果,重點介紹瞭車聯網中的車輛通信協調、基於車聯網和車載傳感器的自適應車輛巡航控製、非綫性動態惡劣天氣條件下車載傳感器檢測受限或失效時的車輛協作巡航控製、通信調度與車輛協作控製協同設計等關鍵技術問題及其解決方法。本書視角獨特,選題側重車聯網的通信資源分配與車輛協作控製的協同設計,為下一代交通控製技術提供瞭新的思路和方法。本書注重理論和實踐並重,既有嚴謹細緻的理論分析和論證,又提供瞭豐富詳實的仿真分析和基於智能交通實驗平颱的實驗結果,不僅便於讀者充分理解智能交通係統的有關概念和方法,也有助於讀者快速掌握車輛協作控製算法並付諸實際應用。
郭戈,男,1972年1月生,大連海事大學二級教授、博士生導師,IEEE高級會員,是Systems, Control & Communications國際期刊創刊主編,擔任多個國際SCI期刊副主編及國內自動化領域期刊《自動化學報》編委、中國自動化學會過程控製委員會委員。在國際國內期刊發錶論文200餘篇,其中SCI/EI收錄170餘篇,在國傢科學技術學術齣版基金資助下齣版學術專著3部。主持國傢、省部級科研項目近20項,研究成果獲遼寜省科技進步一等奬、甘肅省科技進步一等奬、遼寜省自然科學三等奬各1次,獲發明專利和計算機軟件著作權4項。培養博士、碩士及博士後70餘人,指導學生獲挑戰杯省級一等奬。曾獲甘肅省“十大傑齣青年”提名、浙江省錢江學者講座教授、大連市領軍人纔等榮譽。嶽偉,男,1981年10月生,大連海事大學講師。在國際國內期刊發錶論文20餘篇,其中SCI/EI收錄16篇,主持1項國傢科學基金及2項橫嚮課題。
《電氣自動化新技術叢書》序言
第6屆《電氣自動化新技術叢書》編輯委員會的話
前言
第1章緒論1
1.1智能交通係統的背景與意義1
1.2智能交通係統研究的主要內容3
1.3車輛協作控製的發展3
1.3.1縱嚮控製研究4
1.3.2橫嚮控製研究9
1.3.3車輛綜閤控製研究10
1.4全書內容安排11
1.5符號說明12
第2章智能交通係統中的分層式車輛協作控製13
2.1車隊建模與問題描述14
2.1.1車隊模型建立14
2.1.2反饋信息異質的影響16
2.1.3乾擾及不確定性建模16
2.1.4通信限製建模18
2.1.5控製目標18
2.2車隊穩定性分析18
2.2.1保性能控製器設計18
2.2.2H∞控製器設計21
2.3車隊隊列穩定性分析25
2.4數字仿真27
2.5小結34
第3章分散式車輛協作控製35
3.1問題描述35
3.2設計分散式保性能控製器37
3.2.1交疊係統解耦38
3.2.2子係統控製器設計40
3.2.3原車隊控製器設計43
3.3車隊隊列穩定性分析44
3.4數字仿真45
3.5小結49
第4章傳感器測量受限下的車輛協作控製50
4.1問題描述51
4.1.1協作式車隊結構51
4.1.2傳感器測量受限建模51
4.1.3車隊控製係統模型53
4.2車隊穩定性分析55
4.3車隊隊列穩定性分析60
4.4仿真與實驗63
4.4.1數字仿真63
4.4.2Arduino車隊實驗66
4.5小結69
第5章傳感器失效下的切換式車輛協作控製70
5.1建立車隊模型70
5.1.1協作式自適應巡航控製車隊模型建立70
5.1.2傳感器失效影響71
5.1.3控製目標及設計相關定義72
5.2切換控製的控製器設計73
5.3車隊隊列穩定性分析及控製算法79
5.4仿真及實驗81
5.4.1數字仿真81
5.4.2實驗85
5.5小結88
第6章非綫性車輛協作控製89
6.1建立車隊模型89
6.2非綫性PID控製器設計90
6.3車隊穩定性及隊列穩定性分析93
6.4數字仿真97
6.5小結100
第7章協作式車輛自適應保性能控製101
7.1車隊模型建立及問題描述101
7.1.1非綫性車輛動態模型建立101
7.1.2控製目標103
7.1.3控製器結構103
7.1.4RBFNN描述104
7.2車隊穩定性及隊列穩定性分析105
7.3數字仿真111
7.3.1非綫性影響的實驗112
7.3.2對車輛動態不確定性的實驗113
7.3.3執行器延時的實驗114
7.4小結116
第8章傳感器測量受限下的非綫性車輛協作控製117
8.1問題描述117
8.1.1車隊模型建立117
8.1.2傳感器模型建立118
8.2非綫性魯棒控製器設計119
8.2.1Back-stepping控製器設計119
8.2.2非綫性魯棒控製器設計121
8.3仿真實驗123
8.3.1數字仿真123
8.3.2實驗126
8.4小結130
第9章傳感器失效下的切換式非綫性車輛協作控製131
9.1車隊模型建立以及問題描述131
9.1.1非綫性車輛動態模型建立131
9.1.2傳感器失效的影響132
9.1.3控製目標134
9.2切換控製器設計134
9.3隊列穩定性分析136
9.4數字仿真137
9.5小結138
第10章執行器飽和及延時下的車輛協作控製139
10.1問題描述139
10.2H∞控製器設計142
10.3車隊隊列穩定性分析以及控製算法148
10.4數字仿真149
10.5小結154
第11章智能交通係統中的車輛調度與控製協同設計155
11.1車隊模型建立以及問題描述155
11.1.1車隊建模155
11.1.2無綫通信網絡能力受限以及數據丟包對車隊係統的影響156
11.1.3調度函數157
11.1.4係統模型變換157
11.2車隊控製與調度協同設計159
11.2.1單個跟隨車輛穩定性分析159
11.2.2同時穩定性及可調度性161
11.3車隊隊列穩定性與調度協同設計165
11.3.1車隊穩定性分析165
11.3.2控製與調度協同設計算法166
11.4數字仿真167
11.5小結170
第12章基於連續車輛間歇性通信的車輛協作控製171
12.1問題描述171
12.1.1圖論171
12.1.2車隊模型建立172
12.2保證車隊穩定的控製器設計173
12.3數字仿真176
12.4小結179
第13章通信受限的車輛協作控製180
13.1協作式車隊結構描述180
13.2協作式車隊隊列穩定性描述180
13.3考慮通信信道受限的車隊模型181
13.4協作式車隊控製器設計184
13.5數字仿真188
13.6小結190
參考文獻191
蓬勃發展的車聯網技術、智慧道路及無人車技術促使以智能車路係統為核心的新一代智能交通技術研究成為近年來的熱點領域之一。智能車路係統是典型的信息物理係統,其中大量的車輛通過車聯網交換信息,協調和同步車輛流高效通信且平穩安全行駛至關重要。由於高速行駛的車輛實時控製周期和接入網絡的時間較短,無綫網絡狀態易受環境及車輛影響,且車聯網可容納有限的車輛同時通信,車載傳感器在惡劣條件下感知能力受限甚至失效,因此,智能交通係統中的車輛協作控製極具挑戰性。
本書結閤復雜車輛動態及智能車路係統中的車聯網通信局限性、車載傳感器感知能力受限及失效,係統地論述瞭車輛協作通信及控製的理論、方法和實驗驗證與分析。具體而言,針對車聯網通信帶寬限製導緻的車輛流反饋信息異質問題,提齣分層結構的集中式保性能車輛隊列控製方法,將車輛隊列描述為多子係統關聯的交疊式係統,基於包含原理、解耦和車輛隊列穩定性理論,得到分布式車輛隊列控製方法體係。針對低能見度條件下的車載傳感器測量範圍有限問題,綜閤考慮燃油及製動延時,提齣一種變結構保性能車輛隊列控製算法;考慮惡劣天氣條件下的傳感器失效問題,基於切換控製理論中的平均駐留時間法,得到車輛隊列穩定性與傳感器失效率、采樣周期之間的定量關係。最後,綜閤考慮非綫性車輛動態、車聯網通信限製和其他不確定性因素,研究瞭車輛協作自適應巡航控製的變結構PID控製方法、自適應神經網絡及反步法等非綫性控製方法。在基於Arduino車輛的交通控製實驗平颱上驗證瞭上述控製方法的實用性。
本書匯總瞭著者及其團隊在車輛協作控製領域多年的研究成果,對智能交通係統及車輛控製等領域的研究人員及自動控製和交通係統工程等專業的教師具有較高的參考價值,也適閤相關領域的研究生作為開展學術探索的參考書。
本書的撰寫得到王麗媛、文世喜、趙園等研究生的大力支持,他們對書中的一些理論和方法做瞭大量的研究和仿真工作,對本書的齣版提齣過許多寶貴的建議。本書的研究工作和撰寫得到國傢自然科學基金、霍英東教育基金、教育部新世紀優秀人纔支持計劃項目的資助,在此錶示衷心感謝。
著者水平有限,書中不妥之處在所難免,懇請廣大讀者批評指正。
這本書為我提供瞭一個理解“信息融閤與協同感知”在車輛控製中的關鍵作用的絕佳窗口。作者在解釋“多源信息融閤”技術時,將來自車輛自身傳感器、其他車輛、道路基礎設施甚至互聯網的海量數據進行整閤,並以此為基礎進行精準的決策。這讓我看到瞭一個更加“全知全能”的交通感知體係。書中詳細介紹瞭各種傳感器(如攝像頭、雷達、激光雷達)的工作原理,以及如何通過先進的算法將它們獲取的信息有效地融閤起來,從而構建一個更加全麵、準確的環境模型。 我印象深刻的是,作者在分析“協同定位與建圖(SLAM)”技術時,展示瞭車輛如何在復雜動態的環境中,與其他車輛或基礎設施協同完成自身的精確定位和周圍環境的建模。這對於實現高精度的車輛協同控製至關重要。書中通過大量的圖示和仿真結果,直觀地展示瞭協同SLAM如何剋服單車SLAM的局限性,實現更加魯棒、可靠的定位和建圖。這讓我對未來自動駕駛車輛在復雜城市環境中安全可靠運行充滿瞭信心。
評分這本書為我提供瞭一個深入理解“車輛協作控製”技術原理的絕佳平颱。作者在解釋“模型預測控製(MPC)”在車輛協同中的應用時,用清晰易懂的語言和嚴謹的數學推導,讓我領略到瞭這種先進控製方法的強大之處。MPC能夠預測車輛未來的運動軌跡,並在此基礎上做齣最優的控製決策,這對於實現平穩、高效的協同至關重要。書中通過具體的案例,展示瞭MPC如何在並綫、變道、車隊跟隨等場景下,實現車輛之間的精確協調,避免瞭人為操作可能帶來的誤差。 我尤其贊賞作者在“車隊行駛”部分的詳細論述。車隊行駛是未來智能交通的重要組成部分,它能夠大幅提高道路通行能力,降低能耗。書中詳細介紹瞭不同類型的車隊控製策略,包括主從控製、分布式控製等,並分析瞭它們在實際應用中的優缺點。我甚至能夠想象,未來的長途旅行,我們可以乘坐舒適的自動駕駛“車廂”,與其他車輛組成高效的車隊,在高速公路上暢行無阻。這本書讓我看到瞭一個更加便捷、高效、安全的未來齣行願景。
評分這是一本極其具有前瞻性的著作,它所描繪的智能交通圖景,讓我對未來的齣行方式充滿期待。作者在闡述“基於感知的協同控製”時,將各種傳感器技術與控製算法巧妙地結閤在一起,讓我看到瞭一個更加安全、高效的交通未來。車輛不再僅僅依靠自身的傳感器來感知周圍環境,而是能夠通過與其他車輛以及基礎設施的協同感知,獲得更全麵、更準確的信息。書中對“激光雷達”、“毫米波雷達”等傳感器的應用進行瞭解析,並說明瞭它們如何為車輛的協同決策提供支持。 我印象深刻的是,作者在分析“路徑規劃與協同”時,提齣瞭“動態路徑優化”的概念。這意味著車輛的行駛路徑不再是固定不變的,而是能夠根據實時交通狀況、其他車輛的意圖以及係統整體的優化目標進行動態調整。這就像是在進行一場永無止境的“尋路遊戲”,車輛們相互配閤,共同尋找最快的、最安全的、最節能的路綫。書中通過大量圖錶和仿真結果,直觀地展示瞭這種動態路徑優化帶來的巨大效益,例如顯著減少瞭擁堵時長,降低瞭燃油消耗。
評分這本書簡直像一本啓明星,照亮瞭我對未來交通的無限遐想。在閱讀之前,我一直以為智能交通係統隻是停留在自動駕駛的層麵,殊不知它背後隱藏著如此龐大而精妙的協同網絡。作者以一種極其生動且邏輯嚴謹的方式,將原本抽象的技術概念變得觸手可及。例如,書中對於“車聯網”(V2X)的深入剖析,讓我驚嘆於車輛之間信息的傳遞速度和準確度。不再是孤立的個體,而是相互感知、相互協調的“有機體”。書中描繪的場景,比如在繁忙的十字路口,車輛如何通過算法提前協商通行順序,避免瞭擁堵和碰撞,這簡直就像一部科幻電影中的情節,卻被作者用紮實的理論和實例一一解讀。 我尤其欣賞作者在闡述“分布式控製”時所展現的深刻洞察。不同於傳統的集中式控製,這種去中心化的模式,讓每一輛車都成為決策單元的一部分,極大地提升瞭係統的魯棒性和響應速度。當一部分車輛齣現故障或通信中斷時,整個係統並不會癱瘓,而是能夠通過剩餘的車輛進行動態調整,這對於保障交通安全至關重要。書中通過大量的仿真案例和理論模型,證明瞭分布式控製在復雜交通環境下的優越性。我甚至開始想象,未來齣行不再是簡單的“從A到B”,而是一場由無數智能車輛共同參與的、高度優化的“集體舞蹈”。
評分這本書的價值在於,它不僅僅局限於技術層麵的探討,更深入地挖掘瞭“智能交通係統中的車輛協作控製”對社會發展帶來的深遠影響。作者在展望“智慧城市”的未來時,將車輛協作控製置於整個城市交通網絡的宏觀視角下進行審視。這不僅僅是車輛之間的“小協作”,更是整個城市“大交通”的有機組成部分。書中描繪的場景,例如通過車輛協作控製,實現城市物流的高效配送,減少交通擁堵,降低環境汙染,簡直是為城市的可持續發展“量身定製”的解決方案。 我尤其欣賞作者在“城市交通流優化”部分的論述。通過對整個城市交通網絡的實時監測和智能調度,車輛協作控製能夠實現交通資源的最佳配置。這就像是在指揮一場龐大的“交通交響樂”,每一個交通參與者都扮演著重要的角色,共同奏響和諧的樂章。書中提齣的“基於全局優化的交通信號與車輛路徑聯閤控製”概念,讓我看到瞭未來城市交通管理的無限可能。我甚至能夠想象,未來齣行,我們將不再為停車難、擁堵而煩惱,而是能夠輕鬆享受高效、便捷的城市生活。
評分這本書讓我對“人機共駕”模式下的車輛協作控製有瞭全新的認識。作者在探討“駕駛員行為建模”時,將人類駕駛員的習慣、偏好以及潛在的失誤納入瞭控製係統的考量範圍,這讓我看到瞭一個更加人性化的智能交通係統。當人類駕駛員與自動駕駛係統共同協作時,如何實現無縫的 Übergang,如何保證安全,是亟待解決的問題。書中提齣的“意圖預測”技術,能夠提前感知駕駛員的操作意圖,從而實現更加平順的協同。 我印象最深刻的是,作者在分析“緊急情況下的協同決策”時,提齣的“風險評估與規避”策略。在突發狀況發生時,車輛不僅需要自身做齣快速反應,還需要與其他車輛進行有效的協同,共同降低風險。書中通過模擬各種危險場景,展示瞭智能交通係統是如何在這種極端情況下,通過多方協作,最大限度地保障乘客安全。這讓我覺得,未來的交通係統,將不再是冰冷的機器,而是一個能夠理解人類需求、並能在關鍵時刻保護我們的“智慧夥伴”。
評分這本書是一本能夠引發深度思考的著作,它將“智能交通係統中的車輛協作控製”這一抽象的概念,具象化為一係列可行的技術方案和美好的願景。作者在探討“麵嚮安全的協同控製”時,將“安全”作為車輛協作的首要目標,並在此基礎上提齣瞭一係列創新的解決方案。例如,書中關於“碰撞預警與規避”的章節,詳細介紹瞭如何通過車輛之間的信息共享和協同決策,提前預測潛在的碰撞風險,並采取有效的規避措施,從而大幅降低交通事故的發生概率。 我尤其被書中關於“故障診斷與容錯控製”的論述所吸引。在復雜的交通係統中,任何一個環節齣現故障都可能帶來嚴重的後果。作者提齣的“基於冗餘與備份的容錯控製策略”,能夠確保即使在部分係統發生故障的情況下,車輛仍然能夠保持一定的運行能力,並安全地到達目的地。這讓我看到瞭一個更加可靠、更加值得信賴的未來交通係統。我甚至能夠想象,當車輛發生故障時,周圍的車輛能夠主動提供幫助,形成一個互助的交通網絡,這是一種令人暖心的科技人文關懷。
評分這本書為我提供瞭一個全新的視角,讓我意識到“智能交通係統中的車輛協作控製”不僅僅是技術問題,更是社會問題的解決之道。作者在探討“低碳交通與能源效率”時,將車輛協作控製與環境保護緊密地聯係起來。通過優化車輛的行駛軌跡、降低車隊中的空氣阻力、以及實現更加智能的能量管理,車輛協作控製能夠大幅降低交通係統的能源消耗和碳排放。書中提齣的“協同駕駛與節能優化”概念,讓我看到瞭科技如何為可持續發展貢獻力量。 我印象深刻的是,作者在分析“共享齣行與交通效率提升”時,將車輛協作控製與共享經濟模式相結閤,描繪瞭一個更加高效、便捷、環保的齣行未來。通過智能調度和協同路徑規劃,共享齣行車輛能夠實現更高的載客率,減少不必要的空駛裏程,從而有效緩解城市交通擁堵,降低能源消耗。這讓我看到瞭,未來齣行將不再是個人擁有一輛車的模式,而是通過智能交通係統,實現資源的優化配置,讓齣行更加的便捷和經濟。這本書讓我對科技改變生活、改善環境充滿信心。
評分這本書的價值在於,它並沒有止步於技術的介紹,而是深刻地探討瞭“智能交通係統中的車輛協作控製”所帶來的社會效益和潛在挑戰。作者在展望未來時,沒有迴避可能齣現的隱私泄露、數據安全以及倫理睏境等問題,這讓我覺得這本書更加的真實和接地氣。例如,在探討“數據共享與隱私保護”時,作者提齣瞭多種解決方案,並分析瞭它們各自的優劣,這對於正在經曆數據爆炸式增長的我們來說,具有極高的參考價值。 我尤其對書中關於“多智能體協調”的章節印象深刻。當大量的車輛需要在復雜的環境中共同完成某個任務,例如緊急救援或賽事保障時,如何保證它們的有效協調,避免混亂,這是一個巨大的挑戰。作者通過引入“分布式強化學習”等先進技術,展示瞭如何讓車輛群體像一個高度配閤的團隊一樣,高效地完成任務。我甚至能夠想象,未來當發生大型活動時,交通係統能夠自動進行規劃和調度,確保所有參與者的安全和便利,這簡直是令人振奮的。
評分這本書為我打開瞭一個全新的視角,讓我意識到智能交通係統不僅僅是技術的堆砌,更是一門關於“協作”的藝術。作者在探討“車路協同”時,將道路基礎設施也納入瞭智能控製的範疇,這讓我印象深刻。原來,智能化的不僅僅是車輛,道路本身也能夠與車輛進行信息交互,例如實時播報路況、誘導車輛選擇最優路徑,甚至在極端天氣下進行主動乾預。書中關於“信號燈優化”的章節,簡直是為城市交通“量身定製”的解決方案。不再是固定周期的信號燈,而是能夠根據實時車流量動態調整,最大限度地提高通行效率,減少等待時間。 我特彆著迷於作者對於“群體行為分析”的深入研究。通過對大量車輛數據的挖掘和分析,作者揭示瞭車輛群體在不同情境下的行為模式,並以此為基礎構建瞭更加智能的控製策略。這就像是在研究一個龐大的“蜂群”,理解它們的協作機製,然後利用這些機製來優化整體的運行。書中提齣的“基於博弈論的車輛決策模型”,讓我看到瞭人工智能在交通領域的巨大潛力。車輛不再是被動地執行指令,而是能夠像智慧的個體一樣,在復雜的交通環境中做齣最優的決策,甚至能夠預測其他車輛的行為,從而實現更加安全的協同。
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