Резервирование датчиков

Один датчик — это одна точка отказа. Пока он исправен, всё хорошо; стоит ему соврать или отвалиться — робот слепнет и делает глупости. Инженерный ответ прост и стар как мир: не полагайся на единственный источник. Несколько датчиков вместо одного — и робот перестаёт зависеть от исправности каждого в отдельности.

Почему один датчик — это плохо

Робот едет по линии с помощью одного инфракрасного датчика. Датчик поймал блик, ошибся на мгновение — и робот свернул в стену. Никакой ошибки в программе нет, просто мы доверили важное решение единственному прибору, а он на секунду ошибся. С единственным датчиком любая его осечка мгновенно становится осечкой всего робота.

Больше датчиков — и берём медиану

Поставим не один датчик, а несколько и будем смотреть на них вместе. Простой и надёжный приём — взять медиану, то есть среднее по «серединке». Если три датчика показывают 20, 21 и 200, то медиана — 21: явный выброс в 200 просто не попадает в середину и не влияет на решение.

Медиана лучше обычного среднего именно потому, что не поддаётся выбросам. У среднего одно дикое значение перетягивает результат на себя (среднее из 20, 21 и 200 — уже 80), а медиане на выброс всё равно. Для отсева «вранья» датчиков это то, что нужно.

Голосование: правило большинства

Когда датчиков несколько, можно устроить голосование. Если из пяти датчиков линии четыре говорят «линия справа», а один — «слева», робот верит большинству. Один сбойный датчик оказывается в меньшинстве и не сбивает робота с курса. Так же поступают в ответственной технике: ставят три одинаковых узла и верят тем двум, что согласны между собой.

Запасной датчик другого типа

Ещё надёжнее — дублировать датчик прибором другого типа, который ошибается по-другим причинам. Например, основное расстояние робот меряет ультразвуком, но держит про запас инфракрасный дальномер. Ультразвук плохо видит мягкие ткани, инфракрасный — блестящие поверхности; вместе они закрывают слабости друг друга. Два одинаковых датчика ошибутся одинаково, два разных — подстрахуют.

Резервирование — не панацея. Пять датчиков потребляют больше энергии, занимают больше выводов и усложняют конструкцию. Резервируют то, что действительно критично (не врезаться, не упасть со стола), а не всё подряд. Инженерия — это всегда разумный баланс, а не «побольше всего».

Практика в мастерской. Собери робота, следующего по линии, на пяти инфракрасных датчиках вместо одного. Специально закрой один датчик пальцем, изобразив поломку, и убедись, что робот благодаря остальным продолжает ехать ровно. Это самый убедительный урок надёжности из всех.

Итог для нашего робота

Разведчик берёт медиану по нескольким передним дальномерам, чтобы случайный выброс не заставил его резко тормозить на пустом месте, и держит датчик другого типа про запас на случай неудобной поверхности. Стоимость — немного лишнего тока и проводов; выгода — робот, который не слепнет от одной осечки.

Измерение потребления Шины на плате