CN115196043B - 一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，包括：机器人集群，用于通过利用月球原位资源建立起自维持且可持续发展的月球基地，采用多种适应各种任务场景的机器人完成不同的作业任务；能源自维持系统，用于充分保证自维持异构机器人集群系统能源供应；装配与维修系统，用于生产零部件、装配设备和机器人，同时也对设备和机器人进行故障检测与排除；任务管理与规划系统，用于根据各子系统和机器人集群反馈的信息，以及自身任务目标导向，采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为，使整个系统自主运行。本申请可在完全没有人类支持的情况下，实现机器人集群系统的自主运行，可用于人类在月面长期驻留和月面资源开发利用。

Description

一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别地，涉及一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统。

背景技术

随着航天科技的不断取得突破性发展，人类已经开展了许多太空探测科学实验，月球是距离地球最近的地外天体，登陆月球是实现人类对太空拓展的第一步，如何在月球建立长期科研基地成为了世界各航天强国的研究热点。文献[1]对月面类人机器人与航天员联合探测的概念进行了初步研究，规划出了月面人机联合探测探测系统结构、探测模式和探测任务等，如图1所示^[1]。

文献[2]分析了月面驻留活动中人机共融机器人的任务、能力需求和关键技术，并提出了我国首次载人登月中“人机共融”作业系统的工作模式^[2]，人机共融机器人系统工作模式分为航天员出仓作业和航天员舱内作业。提出复合型指挥控制架构概念，以期更好满足无人集群技术的现代化应用需求；提出指挥组织结构的结构熵概念，用于指挥组织结构的效用评估。文献[3]提出了我国月面活动按机器人先导探测、人机联合探测、远期科研站建设分步开展的设想^[3]，论证了月面活动不同发展阶段对机器人系统的任务及能力需求，按有限规模、多功能集成的原则提出了各阶段机器人配置设想。文献[4]提出了一种群机器人月面智能搭建系统及方法，及机器人和使用方法，该系统包括三个模块，区域划分模块、坐标建立模块和释放信息素模块，该系统首先对整体结构进行辨识与分析并模块化分解，在全局坐标系基础上建立各模块坐标系；然后释放信息素吸引各个机器人进行各个目标区域进行对应的建设^[4]。

参考文献：

[1]李海阳,张波,黄海兵.航天员与类人机器人月面联合探测概念初步研究[J].载人航天,2014,20(04):301-306。

[2]梁振杰,江磊,苏波,刘兴杰,党睿娜.人机共融机器人的月面驻留服务及应用展望[J].载人航天,2019,25(05):680-687。

[3]张崇峰,韩亮亮.面向载人月球探测任务的月面机器人系统初探[J].载人航天,2019,25(05):561-571。

[4]孙冲,于洋,张博.一种群机器人月面智能搭建系统及方法,及机器人和使用方法[P].广东省：CN112666953A,2021-04-16。

当前面向月面探测、建设与驻留的月面机器人系统设计是机器人研究的前沿领域，如类人机器人、人机共融机器人和月面探测机器人等等，但是这些机器人系统仍需要人的参与。例如需要人为补充物资、给机器人补充能源、干预系统运行，缺少无人环境下自主执行任务的自维持月面机器人系统。

发明内容

本申请提供了一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，以解决现有的当前面向月面探测、建设与驻留的月面机器人系统仍需要人的参与，缺少在无人环境下自主执行任务的技术问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，包括：

机器人集群，用于通过利用月球原位资源建立起自维持且可持续发展的月球基地，采用多种适应各种任务场景的机器人作为执行者完成不同的作业任务；

能源自维持系统，用于充分保证自维持异构机器人集群系统能源供应；

装配与维修系统，用于生产零部件、装配设备和机器人，同时也对部分零部件损坏的设备和机器人进行故障检测与排除；

任务管理与规划系统，作为自维持异构机器人集群系统的中枢系统，用于根据各子系统和机器人集群反馈的包括时间、位置、环境、能源和自身状态信息，以及自身任务目标导向，采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为，使整个自维持异构机器人集群系统自主运行。

进一步地，所述机器人集群包括：

月球车，依靠轮式或轮腿式的运动系统在月球表面快速机动，所述月球车配备光伏电池，可在有太阳光照射的情况下充电，月球车可以通过传感器感知周围环境，用于包括远距离机动探测地形、地质构造和采集岩石样本的任务；

月面飞行器，配备推进器和高性能摄像机，用于在控制飞行并在短时间内迅速搜索目标，并将目标方位信息反馈给系统；

原位资源开采机器人，用于利用包括机械臂、反铲、抓取器和推土机刀片的多种载荷挖掘采集月表岩屑和水冰资源；

原位资源利用机器人，用于将原位资源开采机器人采集的原位资源进行处理，将月表岩屑经过处理后转变为包括铁、铝、钛、硅的工业原材料用于月面工业生产，将水冰资源经过处理转化为液氧和液氢用于月面飞行器和航天器的燃料生产；

大型模块操作机器人，用于搬运卸载大型物体的一类设备，同时也能配合装配机器人进行机器人集群庇护所的建设。

进一步地，所述能源自维持系统包括：

太阳能发电装置，充分利用太阳光发电作为能源输入并将电能储存起来；

中央电源供应装置，与所述太阳能发电装置电路连接，用于安全有效地储存电能，并将电能传输给其他子系统和机器人集群的用电器。

进一步地，所述太阳能发电装置等距放置在太阳同步环线上，同时通过线缆将电能运输到位于太阳同步环线中央的中央电源供应装置，所述太阳同步环线是指移动物体可以始终保持在太阳照射下的一条运动轨迹线。

进一步地，设系统总功率为P，一座太阳能发电装置的发电功率为W，电能传输过程的损耗为x，则需要的太阳能发电装置数量n和间隔角θ为：

/>

太阳能发电装置的太阳能电池阵列以折叠状态发射并运送到月球表面，经过装配机器人安装调试后，太阳能电池阵列通过自动对准日照方向的旋转装置对日定向，在同一时间太阳同步环线上有一半的太阳能电池阵列处于有光照的情况并实时获取太阳能并转化为电能传输给中央电源供应装置，中央电源供应装置作为电源给其他子系统和需要补充能源的机器人集群供电。

进一步地，所述装配与维修系统包括：

零件库，用于储存为自维持异构机器人集群系统中损坏零部件进行备件替换，所述零部件包括结构件、电子元器件、金属件和精密器件；

3D打印机，用于根据输入程序、材料和能量生产相应的机器人关键组件，所述机器人关键组件包括机器人外结构、电子设备和传感器；

装配机器人，设置有手眼相机、机械臂、夹爪，用于根据输入程序利用零件库和3D打印机生产的零件进行设备和机器人的组装和加工；

维修机器人，设置有手眼相机、机械臂、夹爪，用于检测设备和机器人故障，并根据接收到的故障信息进行相应的维修或零部件替换的操作，实现对设备和机器人的故障修复和排除，以及，将损坏的零部件拆卸回收或将报废的设备和机器人回收利用。

进一步地，所述任务管理与规划系统包括：

中央处理系统，可持续自主地发挥作用，是具备驻留性、反应性、社会性、主动性的计算实体，用于通过通信网络接收从其他子系统和机器人集群、传感装置反馈的信息，独立地计算处理并向其他子系统和机器人集群发出相应的指令，使整个自维持异构机器人集群系统能够持续可靠的自主运行下去；

传感装置，用于检测到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制要求；

通信网络，用于供整个自维持异构机器人集群系统的各个子系统和机器人集群和传感装置之间传递信息实现交互信息。

进一步地，所述任务管理与规划系统采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为时，对能源自维持系统的管理策略具体包括：

首先能源自维持系统进行自检，如果条件“能源自维持系统是否正常工作”为真，能源自维持系统正常工作，则可对机器人和其他子系统进行供能，否则需要对能源自维持系统进行维修；下一步对机器人是否需要补充能源进行判定，当条件“机器人能源是否充足”为真时，机器人能源不足，则系统对机器人补充能源。

进一步地，所述任务管理与规划系统采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为时，对装配与维修系统的管理策略具体包括：

首先装配与维修系统进行自检，如果条件“装配与维修系统是否正常工作”为真，装配与维修系统正常工作，则可对机器人进行故障检测和维修，否则需要对装配与维修系统进行维修；下一步对机器人是否需要故障检测和维修进行判定，当条件“机器人是否存在故障”为真时，机器人存在故障，则系统对机器人进行故障检测和维修。

进一步地，所述任务管理与规划系统采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为时，对机器人集群的管理策略具体包括：

首先机器人进行自检，如果条件“机器人是否正常工作”为真，机器人正常工作，否则需要对装配与维修系统进行维修；下一步对机器人能源是否充足进行判定，当条件“机器人能源是否充足”为真时，机器人不需要补充能源，否则需要对机器人补充能源；机器人经过自身状态反馈后，任务管理与规划系统对机器人下达任务执行的命令，机器人执行任务，当条件“任务已完成”为真时，机器人完成系统下达的任务。

相比现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提出了一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，包括机器人集群、能源自维持系统、装配与维修系统、任务管理与规划系统。本申请的能源自维持系统利用月面环境中可以获取的物质和能量供系统运行，利用装配与维修系统扩充机器人集群的数量和故障自我维修，利用任务管理与规划系统实现整个异构机器人集群系统自主运行，建立起能够在月面上自我维持的异构机器人集群系统。整个系统可在完全没有人类支持的情况下，实现机器人集群系统的能源自我维持、故障自我维修、系统自我管理，可用于未来人类在月面长期驻留和月面资源开发利用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本申请作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是现有的月面人机联合探测系统组成示意图。

图2是本申请优选实施例的一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统示意图。

图3是本申请优选实施例的任务管理与规划系统对能源自维持系统行为树示意图。

图4是本申请优选实施例的任务管理与规划系统对装配与维修系统行为树示意图。

图5是本申请优选实施例的任务管理与规划系统对机器人集群行为树示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参照图2，本申请的优选实施例提供一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，包括机器人集群、能源自维持系统、装配与维修系统、任务管理与规划系统，其中：

所述机器人集群用于通过利用月球原位资源建立起自维持且可持续发展的月球基地，采用多种适应各种任务场景的机器人作为执行者完成不同的作业任务；

所述能源自维持系统用于充分保证自维持异构机器人集群系统能源供应；

所述装配与维修系统用于生产零部件、装配设备和机器人，同时也对部分零部件损坏的设备和机器人进行故障检测与排除；

所述任务管理与规划系统作为自维持异构机器人集群系统的中枢系统，用于根据各子系统和机器人集群反馈的包括时间、位置、环境、能源和自身状态信息，以及自身任务目标导向，采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为，使整个自维持异构机器人集群系统自主运行。

本实施例提出了一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，包括机器人集群、能源自维持系统、装配与维修系统、任务管理与规划系统。本实施例的能源自维持系统利用月面环境中可以获取的物质和能量供系统运行，利用装配与维修系统扩充机器人集群的数量和故障自我维修，利用任务管理与规划系统实现整个异构机器人集群系统自主运行，建立起能够在月面上自我维持的异构机器人集群系统。整个系统可在完全没有人类支持的情况下，实现机器人集群系统的能源自我维持、故障自我维修、系统自我管理，可用于未来人类在月面长期驻留和月面资源开发利用。

为充分保证自维持异构机器人集群系统能源供应，首先要建立能源自维持系统。能源自维持系统包括但不限于太阳能发电装置和中央电源供应装置等。具体地，所述能源自维持系统包括太阳能发电装置、中央电源供应装置，其中：

所述太阳能发电装置充分利用太阳光发电作为能源输入并将电能储存起来，太阳能发电装置包含太阳能电池阵列和储能装置，其中太阳能电池阵列利用太阳能级半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能，是一种直接有效发电方式；

所述中央电源供应装置与所述太阳能发电装置电路连接，用于安全有效地储存电能，并将电能传输给其他子系统和机器人集群的用电器。

月球的太阳日约为29.5天，在月球上将会面临长时间无法接收太阳光照射的情况，利用太阳同步环线放置太阳能电池阵列可以解决这一问题。因此，本实施例中，所述太阳能发电装置等距放置在太阳同步环线上，同时通过线缆将电能运输到位于太阳同步环线中央的中央电源供应装置，所述太阳同步环线是指移动物体可以始终保持在太阳照射下的一条运动轨迹线，设系统总功率为P，一座太阳能发电装置的发电功率为W，电能传输过程的损耗为x，则需要的太阳能发电装置数量n和间隔角θ为：

太阳能发电装置的太阳能电池阵列以折叠状态发射并运送到月球表面，经过装配机器人安装调试后，太阳能电池阵列通过自动对准日照方向的旋转装置对日定向，在同一时间太阳同步环线上有一半的太阳能电池阵列处于有光照的情况并实时获取太阳能并转化为电能传输给中央电源供应装置，中央电源供应装置作为电源给其他子系统和需要补充能源的机器人集群供电。

月球上环境恶劣，月表岩屑与月尘、宇宙射线、昼夜温差和复杂的地形等因素都可能对设备和机器人的零部件造成损伤，严重地会使设备和机器人整体损坏，造成系统失效。因此，需要建立可自我装配和维修的系统使其能够装配设备和机器人，同时也对部分零件损坏的设备和机器人进行维修，因此，本实施例中，所述装配与维修系统包括零件库、3D打印机、装配机器人、维修机器人，其中：

所述零件库用于储存为自维持异构机器人集群系统中损坏零部件进行备件替换，所述零部件包括结构件、电子元器件、金属件和精密器件等；

所述3D打印机用于根据输入程序、材料和能量生产相应的机器人关键组件，所述机器人关键组件包括机器人外结构、电子设备和传感器；

所述装配机器人设置有手眼相机、机械臂、夹爪，用于根据输入程序利用零件库和3D打印机生产的零件进行设备和机器人的组装和加工；

所述维修机器人设置有手眼相机、机械臂、夹爪，用于检测设备和机器人故障，并根据接收到的故障信息进行相应的维修或零部件替换的操作，实现对设备和机器人的故障修复和排除，以及，将损坏的零部件拆卸回收或将报废的设备和机器人回收利用。其中，维修是指简单地机械维修，不涉及精密仪器、电子元器件等设备的维修，零部件替换是指将机器人故障的模块部件用已有的备用模块进行模块化的替换。如维修机器人不能对设备和机器人进行维修，则通过装配机器人生产新的设备和机器人用以投入工作。

自维持异构机器人集群系统中分系统较多，各种设备和机器人种类众多，为了更好地管理系统和执行任务，需要建立任务管理与规划系统用于管控其他分系统和机器人集群。任务管理与规划系统是自维持异构机器人集群系统的中枢系统，根据其他系统和机器人集群反馈的包括时间、位置、环境、能源和自身状态信息，以及自身任务目标导向，统一规划分系统和机器人集群的行为，这要求任务管理与规划系统是智能化、自动化、数字化的，具备自感知、自学习、自决策、自执行的能力。

本实施例中，所述任务管理与规划系统包括中央处理系统、传感装置、通信网络，其中：

所述中央处理系统是整个任务管理与规划系统的“大脑”，可持续自主地发挥作用，是具备驻留性、反应性、社会性、主动性的计算实体，用于通过通信网络接收从其他子系统和机器人集群、传感装置反馈的信息，独立地计算处理并向其他子系统和机器人集群发出相应的指令，使整个自维持异构机器人集群系统能够持续可靠的自主运行下去；

所述传感装置是任务管理与规划系统的感觉器官，用于检测到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制要求；

所述通信网络是传递各种信息的桥梁，在月球环境下，用于供整个自维持异构机器人集群系统的各个子系统和机器人集群和传感装置之间传递信息实现交互信息。

任务管理与规划系统通过通信网络接收各个分系统、机器人集群和传感装置反馈的信息，统一集中处理后再发送指令，执行相应的任务，使整个自维持异构机器人集群系统自主运行。

所述任务管理与规划系统采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为，使整个自维持异构机器人集群系统自主运行，为理解行为树的基本概念，首先对行为树的原理和设计进行介绍：

形式上来看，行为树是一种有向的树状结构，其中内部节点称为控制流节点，叶节点称为执行节点。对于每个连接的节点，通常使用常用术语父节点和子节点进行描述。根节点是没有父节点的节点，所有其他节点都有一个父节点。控制流节点至少有一个子节点。

行为树的驱动方式是从生成给定频率的时钟信号的根节点开始执行。这些信号允许执行一个节点，并传递给选中节点的一个或多个子节点。当且仅当节点接收到时钟信号时才会执行该节点。

行为树存在四类控制流节点和两类执行节点，控制流节点分为序列节点、并行节点、回退节点和装饰器节点，执行节点分为动作节点和条件节点，下面对各节点进行介绍：

(1)序列节点将时钟信号从左侧开始发送到其子节点，直到找到返回“失败”或“执行”的子节点，然后将“失败”或“执行”相应地返回到其父节点。当且仅当所有子节点都返回“成功”时，该节点才返回“成功”。序列节点的符号是一个包含标签“→”的框。

(2)回退节点将时钟信号从左边开始发送到其子节点，直到找到返回“成功”或“执行”的子节点，然后将“成功”或“执行”相应地返回到其父节点。当且仅当所有子节点都返回“失败”时，该节点才返回“失败”。回退节点的符号是一个包含标签“？”的框。

(3)并行节点将时钟信号从左边开始发送到所有子节点，如果M个子节点返回“成功”，则返回“成功”，如果N-M+1个子节点返回“失败”，则返回“失败”，否则返回“执行”。N是子节点的数量，M≤N是定义的阈值。并行节点的符号是一个包含标签

的框。

(4)装饰器节点是带有一个子节点的控制流节点，该节点根据定义的规则操纵其子节点的返回状态，并根据定义的规则有选择性地触发子节点。装饰器节点的符号是菱形。

(5)动作节点执行具体的任务，当动作节点接收到时钟信号，将执行命令。如果动作成功完成，则返回“成功”，如果动作失败，则返回“失败”。当动作正在运行时，它返回“执行”。动作节点的符号是一个包含标签“动作”的框。

(6)条件节点对任务状态进行检查，当条件节点接收到时钟信号时，它会检查一个命题，根据定义的判定条件，返回“成功”或“失败”。条件节点的符号是一个包含标签“条件”的椭圆。

具体地，如图3所示，所述任务管理与规划系统采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为时，对能源自维持系统的管理策略具体包括：

首先能源自维持系统进行自检，如果条件“能源自维持系统是否正常工作”为真，能源自维持系统正常工作，则可对机器人和其他子系统进行供能，否则需要对能源自维持系统进行维修；下一步对机器人是否需要补充能源进行判定，当条件“机器人能源是否充足”为真时，机器人能源不足，则系统对机器人补充能源。

具体地，如图4所示，所述任务管理与规划系统采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为时，对装配与维修系统的管理策略具体包括：

首先装配与维修系统进行自检，如果条件“装配与维修系统是否正常工作”为真，装配与维修系统正常工作，则可对机器人进行故障检测和维修，否则需要对装配与维修系统进行维修；下一步对机器人是否需要故障检测和维修进行判定，当条件“机器人是否存在故障”为真时，机器人存在故障，则系统对机器人进行故障检测和维修。

具体地，如图5所示，所述任务管理与规划系统采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为时，对机器人集群的管理策略具体包括：

首先机器人进行自检，如果条件“机器人是否正常工作”为真，机器人正常工作，否则需要对装配与维修系统进行维修；下一步对机器人能源是否充足进行判定，当条件“机器人能源是否充足”为真时，机器人不需要补充能源，否则需要对机器人补充能源；机器人经过自身状态反馈后，任务管理与规划系统对机器人下达任务执行的命令，机器人执行任务，当条件“任务已完成”为真时，机器人完成系统下达的任务。

自维持异构机器人集群系统的目的是通过利用月球原位资源建立起自维持且可持续发展的月球基地，因此，需要多种适应各种任务场景的机器人作为执行者完成任务。

本实施例中，所述机器人集群包括月球车、月面飞行器、原位资源开采机器人、原位资源利用机器人、大型模块操作机器人，其中：

所述月球车依靠轮式或轮腿式的运动系统在月球表面快速机动，所述月球车配备光伏电池，可在有太阳光照射的情况下充电，月球车可以通过传感器感知周围环境，用于包括远距离机动探测地形、地质构造和采集岩石样本等任务；

所述月面飞行器配备推进器和高性能摄像机，用于在控制飞行并在短时间内迅速搜索目标，并将目标方位信息反馈给系统；

所述原位资源开采机器人用于利用包括机械臂、反铲、抓取器和推土机刀片的多种载荷挖掘采集月表岩屑和水冰资源；

所述原位资源利用机器人用于将原位资源开采机器人采集的原位资源进行处理，将月表岩屑经过处理后转变为包括铁、铝、钛、硅等工业原材料和水、氧气、氢气，将水冰资源经过处理转化为较为纯净的水资源，其中，铁、铝、钛、硅等工业原材料可用于工业生产，氢气和氧气用于月面飞行器和航天器的燃料生产，通过月球车和月面飞行器进行月面资源勘探，根据任务管理与规划系统分配的任务指令进行原位资源的开采与处理，具体可参见文献：月球原位资源利用技术研究，李志杰。

所述大型模块操作机器人用于搬运卸载大型物体的一类设备，同时也能配合装配机器人进行机器人集群庇护所的建设。

利用前期运输的设备和资源，通过装配与维修系统迅速装配各类机器人，任务管理与规划系统部署机器人集群开始建立自维持且可持续发展的月球基地。

上述系统在运行前需要先部署物资和设备，进行初步的系统搭建：

首先利用航天器发射并运输搭建系统所需的基本物资和设备，月球极地可能存在丰富的水冰资源，并且南极的水冰资源比北极更为集中和丰富，在南极建立自维持异构机器人集群系统可以利用水冰资源，通过将水资源电解并制备液氢和液氧，可作为月面飞行器的燃料，在月球赤道附近降落并搭建系统最为合适。月球表面环境恶劣，为了给自维持异构机器人集群系统提供安全、可靠的工作环境，需要建立机器人集群庇护所，机器人集群庇护所应保持适宜的温度，具备抗风沙、耐腐蚀和防辐射的能力。利用机器人集群中的大型模块操作机器人和装配机器人进行庇护所的搭建，利用机器人集群中搬运机器人和装配机器人进行各个系统的搭建，搬运机器人对着陆器中的物资和设备进行卸载与搬运，装配机器人对设备进行安装与调试，完成各个系统的初步搭建。

自维持异构机器人集群系统的运行维护

在自维持异构机器人集群系统的所有组成建设完成后，任务管理与控制系统对全系统进行管理控制并监控、记录发生的错误，通过对自维持异构机器人集群系统迭代升级，使全系统能够安全可靠的运行，最终完成建设自维持且可持续发展的月球基地，为人类长期驻留月球提供场所。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，其特征在于，包括：

机器人集群，用于通过利用月球原位资源建立起自维持且可持续发展的月球基地，采用多种适应各种任务场景的机器人作为执行者完成不同的作业任务；

能源自维持系统，用于充分保证自维持异构机器人集群系统能源供应；

装配与维修系统，用于生产零部件、装配设备和机器人，同时也对部分零部件损坏的设备和机器人进行故障检测与排除；

任务管理与规划系统，作为自维持异构机器人集群系统的中枢系统，用于根据各子系统和机器人集群反馈的包括时间、位置、环境、能源和自身状态信息，以及自身任务目标导向，采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为，使整个自维持异构机器人集群系统自主运行；

所述机器人集群包括：

月球车，依靠轮式或轮腿式的运动系统在月球表面快速机动，所述月球车配备光伏电池，可在有太阳光照射的情况下充电，月球车可以通过传感器感知周围环境，用于包括远距离机动探测地形、地质构造和采集岩石样本的任务；

月面飞行器，配备推进器和高性能摄像机，用于在控制飞行并在短时间内迅速搜索目标，并将目标方位信息反馈给系统；

原位资源开采机器人，用于利用包括机械臂、反铲、抓取器和推土机刀片的多种载荷挖掘采集月表岩屑和水冰资源；

原位资源利用机器人，用于将原位资源开采机器人采集的原位资源进行处理，将月表岩屑经过处理后转变为包括铁、铝、钛、硅的工业原材料用于月面工业生产，将水冰资源经过处理转化为液氧和液氢用于月面飞行器和航天器的燃料生产；

大型模块操作机器人，用于搬运卸载大型物体的一类设备，同时也能配合装配机器人进行机器人集群庇护所的建设。

2.根据权利要求1所述的一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，其特征在于，所述能源自维持系统包括：

太阳能发电装置，充分利用太阳光发电作为能源输入并将电能储存起来；

中央电源供应装置，与所述太阳能发电装置电路连接，用于安全有效地储存电能，并将电能传输给其他子系统和机器人集群的用电器。

3.根据权利要求2所述的一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，其特征在于，所述太阳能发电装置等距放置在太阳同步环线上，同时通过线缆将电能运输到位于太阳同步环线中央的中央电源供应装置，所述太阳同步环线是指移动物体可以始终保持在太阳照射下的一条运动轨迹线。

4.根据权利要求3所述的一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，其特征在于，设系统总功率为P，一座太阳能发电装置的发电功率为W，电能传输过程的损耗为x，则需要的太阳能发电装置数量n和间隔角θ为：

太阳能发电装置的太阳能电池阵列以折叠状态发射并运送到月球表面，经过装配机器人安装调试后，太阳能电池阵列通过自动对准日照方向的旋转装置对日定向，在同一时间太阳同步环线上有一半的太阳能电池阵列处于有光照的情况并实时获取太阳能并转化为电能传输给中央电源供应装置，中央电源供应装置作为电源给其他子系统和需要补充能源的机器人集群供电。

5.根据权利要求1所述的一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，其特征在于，所述装配与维修系统包括：

零件库，用于储存为自维持异构机器人集群系统中损坏零部件进行备件替换，所述零部件包括结构件、电子元器件、金属件和精密器件；

3D打印机，用于根据输入程序、材料和能量生产相应的机器人关键组件，所述机器人关键组件包括机器人外结构、电子设备和传感器；

装配机器人，设置有手眼相机、机械臂、夹爪，用于根据输入程序利用零件库和3D打印机生产的零件进行设备和机器人的组装和加工；

维修机器人，设置有手眼相机、机械臂、夹爪，用于检测设备和机器人故障，并根据接收到的故障信息进行相应的维修或零部件替换的操作，实现对设备和机器人的故障修复和排除，以及，将损坏的零部件拆卸回收或将报废的设备和机器人回收利用。

6.根据权利要求1所述的一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，其特征在于，所述任务管理与规划系统包括：

中央处理系统，可持续自主地发挥作用，是具备驻留性、反应性、社会性、主动性的计算实体，用于通过通信网络接收从其他子系统和机器人集群、传感装置反馈的信息，独立地计算处理并向其他子系统和机器人集群发出相应的指令，使整个自维持异构机器人集群系统能够持续可靠的自主运行下去；

传感装置，用于检测到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制要求；

通信网络，用于供整个自维持异构机器人集群系统的各个子系统和机器人集群和传感装置之间传递信息实现交互信息。

7.根据权利要求1所述的一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，其特征在于，所述任务管理与规划系统采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为时，对能源自维持系统的管理策略具体包括：

首先能源自维持系统进行自检，如果条件“能源自维持系统是否正常工作”为真，能源自维持系统正常工作，则可对机器人和其他子系统进行供能，否则需要对能源自维持系统进行维修；下一步对机器人是否需要补充能源进行判定，当条件“机器人能源是否充足”为真时，机器人能源不足，则系统对机器人补充能源。

8.根据权利要求1所述的一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，其特征在于，所述任务管理与规划系统采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为时，对装配与维修系统的管理策略具体包括：

首先装配与维修系统进行自检，如果条件“装配与维修系统是否正常工作”为真，装配与维修系统正常工作，则可对机器人进行故障检测和维修，否则需要对装配与维修系统进行维修；下一步对机器人是否需要故障检测和维修进行判定，当条件“机器人是否存在故障”为真时，机器人存在故障，则系统对机器人进行故障检测和维修。

9.根据权利要求1所述的一种无人环境下的自维持异构机器人集群系统，其特征在于，所述任务管理与规划系统采用行为树统一规划子系统和机器人集群的行为时，对机器人集群的管理策略具体包括：

首先机器人进行自检，如果条件“机器人是否正常工作”为真，机器人正常工作，否则需要对装配与维修系统进行维修；下一步对机器人能源是否充足进行判定，当条件“机器人能源是否充足”为真时，机器人不需要补充能源，否则需要对机器人补充能源；机器人经过自身状态反馈后，任务管理与规划系统对机器人下达任务执行的命令，机器人执行任务，当条件“任务已完成”为真时，机器人完成系统下达的任务。

Images