本书系统阐述了智能网联汽车在典型场景下的协同轨迹规划理论与实践方法。全书以计算最优控制方法为主线，围绕最优控制问题建模、数值优化求解以及辅助求解策略设计等核心理论问题展开，并结合多种典型自动驾驶场景，构建相应的协同轨迹规划方法体系。在理论讲解的基础上，书中还详尽介绍了数值优化求解器的安装与配置流程，以及软件仿真系统与硬件平台的部署方法，最后给出闭环跟踪控制与实车实验的操作指南及关键代码解析，突出理论方法与工程实践的紧密结合。
本书可作为高校相关专业研究生、本科生的学习用书，也可供自动驾驶、交通运输及智能车辆领域的科研人员和工程技术人员参考。

第1章 智能网联汽车概述 1
1.1 智能网联汽车的研究背景与意义 2
1.1.1 研究背景 2
1.1.2 研究意义 3
1.2 智能网联汽车技术概述 4
1.3 智能网联汽车协同轨迹规划概述 6
1.3.1 智能网联汽车协同轨迹规划问题的定义 7
1.3.2 智能网联汽车协同轨迹规划问题的难点 9
1.3.3 智能网联汽车协同轨迹规划问题的主要解法 11

第2章 智能网联汽车协同轨迹规划问题建模 14
2.1 车辆运动学约束 15
2.2 两点边值约束 18
2.3 避障约束 20
2.3.1 圆盘模型 20
2.3.2 基于分离轴定理的凸多边形模型 21
2.3.3 基于对偶问题转化的凸多边形模型 24
2.3.4 基于三角面积不等式的凸多边形模型 26
2.3.5 时空安全走廊模型 27
2.3.6 半空间模型 30
2.4 代价函数 32
2.5 总体命题 32

第3章 智能网联汽车协同轨迹规划问题基本解法 34
3.1 最优控制问题的常见求解方法 35
3.2 计算最优控制方法体系 35
3.2.1 最优控制问题的全联立离散化 35
3.2.2 非线性规划问题的求解 38
3.2.3 时间连续最优控制/ 状态函数重构 39
3.3 基于搜索的初始解构造方法 40
3.3.1 初始解对梯度优化的意义 41
3.3.2 初始解对协同轨迹规划的意义 43
3.3.3 基于二维空间A* 搜索算法的路径构造 43
3.3.4 基于三维时空A* 搜索算法的轨迹构造 45
3.3.5 基于冲突搜索的多车协同轨迹构造 45

第4章 结构化道路场景中的多车协同换道轨迹规划方法 48
4.1 场景特点与任务难点解析 49
4.2 协同轨迹规划命题构建 49
4.3 求解思路 52
4.4 基于稀疏编队重构策略的多阶段协同轨迹规划 53
4.5 完整算法流程 55

第5章 非结构化路口场景中的多车协同通行轨迹规划方法 57
5.1 场景特点与任务难点解析 58
5.2 基于安全走廊与相对安全走廊的避障约束 59
5.2.1 基于安全走廊的车-环境避障约束构建 59
5.2.2 基于相对安全走廊的车-车避障约束构建 60
5.3 基于社会力模型的参考轨迹生成 62
5.3.1 基础社会力模型 63
5.3.2 考虑车辆运动学规律的社会力模型改进思路 63
5.4 基于轻量化迭代优化的求解鲁棒性增强策略 65
5.4.1 名义求解方法及其不足 66
5.4.2 轻量化迭代优化方法 67
5.5 基于批次划分的求解实时性保障机制 69

第6章 无序、杂乱、低速场景中的多车协同避障轨迹规划方法 71
6.1 场景特点与任务难点解析 72
6.2 协同轨迹规划命题构建 73
6.3 求解思路 75
6.4 约束尺度自适应缩放优化 75
6.5 进一步提升计算效率的策略 77
6.5.1 分组 77
6.5.2 约束施加域精准调整 78
6.5.3 序贯凸规划 78
6.5.4 基于机器学习的参考轨迹构造 78
6.5.5 基于混合整数规划的参考轨迹构造 79

第7章 自由空间中的超大规模编队重构协同轨迹规划方法 80
7.1 场景特点与任务难点解析 81
7.2 求解思路 81
7.3 滚动时窗逐步优化 82

第8章 智能网联汽车协同轨迹规划软件系统部署方法 85
8.1 Ubuntu操作系统的安装 86
8.1.1 Ubuntu 安装包镜像的获取 87
8.1.2 Ubuntu 安装启动盘的制作 87
8.1.3 Ubuntu 操作系统的安装与配置 89
8.1.4 Ubuntu 操作系统界面主题的调整 94
8.1.5 Ubuntu 操作系统的中文支持与中文输入法配置 96
8.2 机器人操作系统的安装 99
8.2.1 ROS 安装脚本的下载 100
8.2.2 ROS 的安装步骤 100
8.2.3 ROS 安装效果的验证 103
8.3 协同轨迹规划算法所依赖的软件库安装与配置 104
8.3.1 编译环境的配置 104
8.3.2 COIN-HSL数学库的申请与下载 104
8.3.3 ThirdParty-HSL 软件包的下载与联合安装 109
8.3.4 IPOPT优化求解器的安装 110
8.3.5 CasADi 符号计算框架的构建 111
8.3.6 CasADi 与IPOPT联合求解数学规划问题范例 112
8.3.7 Ubuntu系统环境变量的持久化配置 114
8.4 协同轨迹规划示例程序的运行 114

第9章 智能网联汽车协同轨迹规划硬件平台部署方法 118
9.1 硬件平台总体架构 119
9.2 轮式智能小车平台 120
9.2.1 轮式智能小车基本硬件配置 120
9.2.2 轮式智能小车固件的烧录 121
9.2.3 轮式智能小车车载控制软件设计 124
9.3 高精度室内定位系统 126
9.3.1 动捕系统硬件连接与通信设置 126
9.3.2 动捕镜头标定与坐标系对齐 126
9.3.3 光学标记点的安装 127
9.3.4 小车刚体模型的建立 127
9.3.5 动捕系统数据与规划计算机的通信 128
9.4 室内无线通信系统的配置 128
9.4.1 无线通信模块选型与特性 128
9.4.2 通信链路的配置与协议实现 129

第10章 智能网联汽车协同轨迹规划的闭环跟踪控制算法调试 131
10.1 基于纯跟踪的横向控制方法 132
10.1.1 横向控制任务解析 132
10.1.2 纯跟踪控制器基本原理 133
10.1.3 纯跟踪控制器参数标定方法 134
10.2 基于PID 的纵向控制方法 135
10.2.1 纵向控制任务解析 135
10.2.2 PID控制器基本原理 137
10.2.3 PID控制器参数标定方法 139

第11章 智能网联汽车协同轨迹规划实车实验与关键代码解析 140
11.1 协同轨迹规划实车实验任务与操作流程 141
11.2 实车实验代码环境部署与运行 141
11.3 实车实验软件系统及关键代码解析 143
11.3.1 系统整体软件架构 143
11.3.2 定位节点程序解析 144
11.3.3 控制节点程序解析 154
11.3.4 底盘通信节点程序解析 165
11.3.5 协同轨迹规划目标点指派策略解析 170

参考文献 174

后记 177

智能网联汽车以车载传感、计算与执行构成的闭环为基础，叠加车、路、人、云等要素的V2X（车辆全域互联） 信息交互与共享，形成对复杂环境的感知、决策与协同控制能力，目标是实现安全、高效、舒适、节能的自动行驶并最终替代人工驾驶。近年来，随着人工智能、物联网和5G 等信息通信技术的快速发展，核心算法与软硬件持续迭代，基础设施与标准体系加速完善，产业生态日趋成熟，出行范式因此被重塑。在智能网联汽车编队场景中，协同轨迹规划负责为每一辆网联车生成可执行的时空轨迹，其协同品质是衡量编队智能驾驶水平的重要标尺。本书围绕多类典型自动驾驶场景，以计算最优控制理论体系为主线，系统地介绍智能网联汽车编队的协同轨迹规划方法。
本书适用于智能网联汽车协同轨迹规划技术领域的工程技术人员、相关专业的高校学者，以及虽有意涉足该领域但编程基础相对薄弱的本科生与研究生。全书在结构上划分为理论与实践两部分。理论部分尽可能降低对先修知识的要求，以加强本书的自组织性；凡对理解主线影响不大的细枝末节，将从简处理而不影响阅读连贯性；关键概念与推导均力求自成体系，最大限度减轻读者额外翻阅检索文献的负担。实践部分同样遵循自组织原则，从Linux 系统的安装与环境配置起步，循序引导。即便是非工科背景、具备基本常识与理解能力的读者朋友，只要依照第8 章的步骤逐一操作，亦可在个人计算机上完成多车协同轨迹规划的仿真运行，这是进入本领域并逐步树立学习信心的良好开端；在第9 章及其后，书中对若干关键代码段给出充分而具体的讲解与示例性指导，读者可据此循序实践、逐步完成。对于已具备一定编程能力或在自动驾驶、智能网联汽车方面拥有工程与科研经历的读者，阅读本书能够产生较强的共鸣与认同，并在方法认知与实操层面得到进一步提升。因此，本书既面向零基础的初学者，也为有经验的从业者提供提升空间；既可作为该领域的入门读物，又保持必要的理论深度，体现了著者多年来在该方向上体系化工作与实践经验的积累。期待本书能够与更多领域的读者达成共识，并在交流中推动相关研究与应用的深入发展。
本书的撰写工作离不开各位师长、前辈、同行与朋友的鼓励与支持。在此谨向邵之江教授、王飞跃教授、王耀南院士、李力教授、李平教授、王慧教授、宋春跃教授、刘泓教授、丁军教授、宫洵教授、李晓辉教授、李峻翔教授、陈锋教授、边有钢教授、岳明教授、王昕炜教授、陈鹏教授、余贵珍教授、于会龙教授以及田永笑教授等表示诚挚的感谢。过去五年间，湖南大学共有271 名研究生选修我主讲的《自动驾驶决策规划理论》课程，他们在课堂学习中的讨论与思考为本书提供灵感并拓展了写作思路，卜凡、杨筱涵与娄晟杰参与了本书初稿的校对工作，在此一并致以诚挚的感谢。
本书的出版工作得到华东师范大学各位领导的关怀与支持，谨向杜震宇、王华、卢波、王强、吕岳、熊红凯、夏冰、李庆利、吴幸、徐景等各位领导致以衷心感谢。
本书的撰写工作得到了华东师范大学融合发展创新项目（项目号40500-20104-222612）、中央高校基本科研业务费（项目号15904-120215-12509）、国家自然科学基金项目（项目号62103139） 以及湖南省“芙蓉计划”湖湘青年英才项目（项目号2023RC3115） 的资助，在此一并致谢。
家人是科研路上坚实的后盾，也是心灵休憩的港湾。他们以体谅与无私付出为我托举起稳定而温暖的生活，让我得以心无旁骛地投入科学研究之中。
限于著者的学识与研究水平，本书难免有疏漏之处，恳请各位读者朋友不吝指正。

李柏
二O二五年九月