虽然利用自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control,ACC)系统,可以有效缓解道路交通拥堵、提高驾驶安全性以及乘坐舒适度,但是目前ACC系统仍然存在诸如,无法进入更复杂的城市交通场景以及无法及时预测前方车辆的突然变速行为等缺点,导致在行驶过程中的安全性较低以及驾驶的舒适性仍然较差。借助V2X(Vehicle to Everything)技术,可以将ACC系统扩展成协同式自适应巡航控制系统(Cooperative Adaptive Cruise Control,CACC)。它可以实现车辆间的信息共享并将信息作为车辆运动状态调整的依据,相比传统的ACC系统,可以更好地改善车辆驾驶的舒适度,增强行车的安全性。本文基于最优控制理论设计了适用于协同式自适应巡航控制系统的纵向最优跟踪控制器以及提出了一种适用于道路交叉口附近的分散协同式自适应巡航控制方法,以提高对车辆的控制和改善道路的通行效率。本文首先从最优控制理论、最优跟踪控制问题以及最优控制器设计这三个方面讨论了最优控制理论基础。然后基于最优控制理论基础讨论了离散时间协同自适应巡航控制系统中的分布式纵向最优跟踪控制问题。在研究车辆的纵向控制问题时,本文考虑为CACC系统中的车辆建立一种包含车辆位置、速度和加速度三种状态信息的纵向动力学模型,同时根据纵向动力学模型构建了三个关于期望车间距、期望速度以及期望加速度的跟踪目标,将纵向控制问题转化为基于二次型性能指标的最优跟踪控制问题,权衡实现三个相互矛盾的跟踪目标。并根据最优控制理论,设计了纵向最优跟踪控制器,实现了对车辆的控制。最后,本文提出了一种基于无线通信的交叉口附近分散协同式自适应巡航控制方法,来为每辆车提供最佳路线的建议,使车辆能够通过道路交叉口时不被打断,最小化交叉口延误。为了实现车队重组,提出了轨迹规划方法来为车辆寻找最优的行驶轨迹,并提出了空间安排方法来量化道路空间,将空间分配给尽可能多的车辆。为了实现对车辆更好地控制,提出了一种混合控制策略。并通过仿真表明了所提的基于无线通信的交叉口附近分散协同自适应巡航控制方法可以有效地提高道路交叉口的吞吐量,并且能够减少燃料消耗,提高车辆的驾驶安全性和乘坐舒适性。