Игровые рули и джойстики – технологии XXI века в игровых устройствах

    Статья писалась для журнала «Компьютер билд» и потому текст сознательно упрощен. Журнал статью не принял, вот публикую тут.

    XX век был веком аналоговых технологий. Радио, телевидение, телефония – все было построено на создании в месте передачи электрических аналогов звуковой и видео информации и воссоздании ее на месте приема. Это был век ламп, реле и потенциометров.
    Рождение транзистора дало начало веку полупроводников, а полупроводники дали миру цифровые технологии и к веку XXI цифровые технологии все быстрее вытесняют аналоговые из нашей жизни. Не так уж долго осталось жить аналоговому телевидению, аналоговая телефония быстро сдает позиции перед цифровой сотовой связью. Нет ни малейшего сомнения в том, что XXI век будет веком цифровых технологий и полупроводников.
    Давайте посмотрим, как отразилась всемирная эволюция технологий на устройствах для управления компьютерными играми.
    Рассмотрим 2 больших класса игровых устройств – джойстики и игровые рули. Мы не будем рассматривать внешний вид и эргономику устройств – об этом предостаточно сказано в огромном количестве статей в журналах и сети, а заглянем внутрь и попробуем понять, куда движутся технологии в устройствах лидеров рынка.

    Джойстики


    По-видимому, джойстики были первыми устройствами для управления компьютерными играми. Первые джойстики были весьма примитивны – фактически это были просто 4 кнопки, собранные в одном корпусе, которые нажимались при отклонении ручки джойстика в ту или иную сторону. Зачастую для подключения таких джойстиков не было даже предусмотрено никакого интерфейса, и контакты устройства просто напрямую подпаивались к кнопкам клавиатуры.
    Думаю, многие еще помнят такие джойстики для ZX Spectrum:
    image

    Их принято называть «дискретными», т.к. они способны выдавать только значения 0 или 1, вкл/выкл.

    С появлением IBM PC появились и первые серьезные авиасимуляторы. К примеру, игра F-19 Stealth Fighter дала «путевку в небо» многим виртуальным пилотам.
    Конечно, всплеск интереса к виртуальным полетам не мог пройти мимо производителей игровых устройств.
    И вот начали появляться джойстики для IBM PC.
    Типичный представитель джойстиков тех лет:
    image
    Что интересно – эти модели продаются до сих пор!
    В отличие от джойстиков дискретных, эти джойстики были АНАЛОГОВЫМИ. Теперь, отклоняя ручку, пользователь получал на выходе не 0 и 1, а диапазон значений от 0 до 255, а внутри обосновались аналоговые датчики – потенциометры. Диапазон значений, которые выдавал датчик игре, был связан с разрядностью контроллера – 8 bit.
    Аналоговые оси дали игрокам возможность намного точнее управлять играми, приблизили управление виртуальным самолетом к самолету реальному.
    Однако сразу же выявились и первые проблемы. Угол отклонения ручки определяется при помощи потенциометра, закрепленного на оси вращения. Вспоминаем школьный курс физики – потенциометр построен на трении движка о резистивный слой:
    image

    По изменению сопротивления между крайними и центральным выводом и определяется угол, на который отклонена ручка джойстика.
    Т.к. движок скользит по резистивному слою, то срок службы потенциометра ограничен временем, за которое сотрется резистивное вещество. Производители потенциометров честно предупреждают об этом, указывая в характеристиках такой параметр, как «количество циклов», которое прослужит датчик, грубо говоря – сколько раз можно его повернуть до того момента, когда он перестанет нормально работать. Для большинства потенциометров, которые применяются в игровых устройствах эта цифра составляет от 500 тыс до миллиона циклов. Кажется, что это немало, однако давайте посчитаем. В среднем игрок совершает 1 движение в секунду, а значит, через 500 тыс секунд игры устройство перестанет нормально работать. А 500 тыс секунд – это всего 138 часов. Т.е. если играть по 1 часу в день, то меньше чем через полгода такой джойстик гарантированно, по всем законам физики должен выйти из строя.
    Но производители джойстиков об этой особенности конструкции деликатно умалчивают, ни на одном джойстике вы не увидите надписи «Рассчитан на 500 тыс циклов». Зато есть цифры гарантийного срока – от 6 до 12 месяцев. Гарантийный срок в данном случае четко привязан к ресурсу потенциометра, поэтому в случае с джойстиком он же является и сроком жизни устройства.
    Открытие для пользователей оказалось неприятным – играть, так уж играть, и не по часу в день, менять же джойстики раз в полгода накладно. Что делать? Умелые руки наших граждан быстро освоили разборку джойстиков и смазку потенциометров специальными смазками типа WD-40, что позволило сильно продлить ресурс потенциометров.
    Со своей стороны производители стали решать проблему, применяя более дорогие потенциометры с большим ресурсом, но было понятно, что это полумеры.

    Нужно было искать бесконтактное решение, и оно было предложено в виде оптических датчиков.
    Первыми такое решение предложил Microsoft в джойстике Microsoft SideWinder Precision Pro. С появлением оптических сенсоров для мышей, Microsoft попытался применить ту же технологию внутри джойстика, однако решение оказалось не удачным и больше джойстиков с такими датчиками не выпускалось.

    Более простым и надежным оказался простой оптический энкодер (как в обычной мышке с шариком):
    image

    На таком принципе построен, к примеру, джойстик Cyborg 3D Force Stick:
    imageimage

    Применение таких датчиков позволило поднять ресурс джойстиков на новый уровень.
    Но такой датчик имеет и недостатки. Минимальный угол поворота оси джойстика равен ширине прорези энкодера, а требования к точности джойстика росли вместе с появлением новых авиасимуляторов, и многим игрокам в «Ил-2 Штурмовик», к примеру, такой точности оказалось совершенно недостаточно. Множество игроков отказались от вечного датчика на оптическом энкодере в пользу более точного на потенциометрах.
    Требовался датчик не просто бесконтактный и долговечный, но и точный.

    Решение было найдено в магнитных датчиках. С этого момента цифровые полупроводниковые технологии XXI века пришли и в игровые устройства. Со всей уверенностью можно сказать, что магнитные технологии – это будущее датчиков игровых устройств.

    Первым массовым устройством на магнитных датчиках Холла стал джойстик Saitek X52
    image

    Датчики Холла придуманы для измерения напряженности магнитного поля. Грубо говоря, датчик может точно определять расстояние до постоянного магнита. Таким образом, разместив магниты на ручке джойстика, приближая или удаляя магнит от датчика, можно определить, насколько сместилась ручка. При этом расстояние измеряется с высокой точностью, которая определяется разрядностью контроллера. Контроллер на 10bit позволяет позиционировать джойстик с точностью 1024 отсчета на ось.
    Казалось, что решение найдено – получен джойстик на вечных бесконтактных датчиках с высокой точностью позиционирования. Однако уже первые пользователи выяснили неприятную особенность датчиков Холла – данные на выходе изменяются нелинейно, а это приводит к неверному измерению угла отклонения ручки джойстика в средних положениях ручки.

    Следующим этапом развития данной технологии стало применение 3D датчиков Холла. Эти датчики определяют не напряженность поля, а направление на источник магнитного поля. Впервые такой датчик был применен в джойстике Thrustmaster T.16000:
    image

    Новый датчик бесконтактный и абсолютно линейный. Точность 16 394 отсчета на ось оставляет далеко позади все джойстики, которые выпускались до этого.
    К сожалению, разработчики Thrustmaster T.16000 не учли один важный момент – 3D Холл крайне чувствителен к точности перемещения магнита. Т.к. они закрепили его на пластиковой полусфере, то неизбежный износ пластика приводит к тому, что магнит начинает двигаться не по идеальной полусфере, а со «скачками», что приводит к проблемам с точностью позиционирования.

    Данную проблему попытался решить Logitech, установивший оси джойстика Logitech Flight System G940 на подшипники.

    image
    image

    Теперь магнит гарантированно перемещается по абсолютно правильной траектории, без люфтов и скачков, но непродуманная система обратной связи, реализованная на этой модели отпугнула многих пользователей (не говоря уже о цене в 13 000 рублей).

    Радикально решить вопрос точности и долговечности датчиков, а также ресурса механических деталей джойстика решила компания Saitek в модели X65F:
    image

    В этом джойстике ручка закреплена совершенно неподвижно, движения игрока снимаются с ручки при помощи тензодатчиков – сенсоров, измеряющих давление. Игрок прикладывает усилия к ручке, тензодатчики фиксируют давление и передают его в игру. Таким образом решается проблема долговечности механики (ручка неподвижна, а значит, никакого износа у нее не будет), долговечности датчиков – тензодатчики имеют громадный ресурс, а точность будет обеспечивать высокопроизводительный контроллер. Однако, насколько удобно будет играть, не отклоняя ручку, пока не понятно. Джойстик еще не продается и потестировать его возможности пока нет. Скорее всего данный джойстик останется нишевым устройством для небольшого круга любителей современной боевой авиации, т.к. управление самолетами Первой и Второй Мировых войн требует, чтобы ручка отклонялась. Но поживем – увидим.

    Подведем промежуточный итог.
    За последние 20 лет джойстики превратились из примитивных дискретных переключателей в высокотехнологичные устройства, использующие самые современные технологии XXI века. В новых джойстиках применяются самые передовые датчики для измерения углов – магнитные, что позволяет делать устройства с очень большим ресурсом и высочайшей точностью позиционирования.
    Сегодня покупателю доступны джойстики со всеми типами датчиков – на потенциометрах, оптических энкодерах, датчиках Холла и 3D Холлах. Возьму на себя смелость утверждать, что достаточно скоро потенциометры и оптика уйдут в прошлое – как только магнитные датчики станут дешевле, а производители учтут ошибки первых устройств на новой технологии.

    Игровые рули


    Игровые рули родились позже джойстиков. Сначала казалась, что для игр-гонок хватит наличия джойстика, а то и просто клавиатуры, т.к. первые игры-гонки не отличались высоким уровнем реализма.
    Однако игр-гонок становилось все больше, физическая модель автомобилей все усложнялась, и многие игроки захотели получить устройство управления приближенное к реальному автомобилю. Так появились первые рули и педали для игр-гонок.
    Обычный комплект для игр-гонок состоит из непосредственно руля, педального блока (2, реже 3 педали) и иногда блока коробки передач и ручного тормоза.
    Итак, с помощью каких датчиков измеряют угол отклонения рулевого колеса и педалей современные массово продаваемые игровые комплекты для игр-гонок? Их не так много, как в джойстиках.

    Первый тип это, конечно же, потенциометр. Подавляющее большинство представленных сегодня на рынке игровых комплектов для игр-гонок выполнены на потенциометрах с 8bit контроллером. Это естественно – производители просто механически перенесли систему измерения углов с джойстика на руль.
    Однако устройства эти далеко не равнозначны и основное отличие руля от джойстика – угол поворота. Если в джойстиках он обычно составляет не более 40 градусов, то в рулях минимальный угол это 180 градусов, а нормой считается 250-270 градусов. А если говорить о полной симуляции управления автомобилем, то угол поворота рулевого колеса должен достигать 900 градусов!
    Поэтому применение потенциометров принесло в рули еще больше проблем, чем в джойстики.
    Про проблему ограниченного ресурса потенциометров мы помним, рули и педали с таким датчиком это «бомба с часовым механизмом» — можно точно сказать, когда она «рванет», т.е. когда руль и педали перестанут нормально работать из-за разрушения резистивного слоя.
    Вторая проблема состоит в том, что если джойстик с 8bit контроллером (256 значений на ось) при отклонении ручки на 40 градусов позволяет измерять угол отклонения ручки с точностью 40/256=0,15 градуса, то та же система в руле с углом поворота 250 градусов дает точность 250/256=1 градус. Маловато для точного управления! Повернуть руль на 0,5 градуса уже не получится.
    И это еще не все. Большинство недорогих потенциометров работают на углах от 180 до 200-т. А что делать, если руль поворачивается на 250 градусов? Производители пошли по простейшему пути – потенциометр установлен не прямо на оси руля, а подключен к ней через шестерню. Но т.к. такой редуктор требует высокой точности подгонки шестерен, которую довольно сложно обеспечить при массовом производстве недорогих продуктов, то в итоге пользователь получает еще и дополнительный люфт в центральном положении:
    image

    Этот люфт приводит к тому, что в центральном положении рулевого колеса есть мертвая зона примерно в 5-8 градусов, в которой руль не работает вообще.
    В сумме применение потенциометров в игровых рулях следует признать весьма неудачным решением. Единственное, что оправдывает их применение – низкая цена игрового комплекта.

    Второй тип датчиков, которые применяются в игровых рулях, это оптические энкодеры, о которых мы также говорили выше.
    Они бесконтактные (а значит надежные), не имеют ограничений на угол поворота, а значит, не создадут проблем ни для поворота на 250, ни даже на 900 градусов.
    Казалось бы – вот идеальное решение для руля. Но, к сожалению, все не так просто, как кажется на первый взгляд.
    Первая проблема состоит в том, что оптический энкодер не имеет никакого стартового положения. Все, что он умеет – передавать значения вкл/выкл через определенный угол поворота. И как тогда определить, где центральное положение рулевого колеса? Руль на оптическом энкодере требует калибровки при каждом включении.
    Для того чтобы система знала, где находится центральное положение, руль надо повернуть в одну сторону до упора, потом в другую сторону до упора, система подсчитает, сколько прорезей прошло перед фотоэлементом, разделит это значение на 2, это и будет центр.
    Логично поручить работу по калибровке специальному исполнительному механизму. В результате рули обзавелись собственным электродвигателем, который при каждом включении калибровал руль, вращая его туда-сюда. Наличие электродвигателя также позволило использовать в рулях систему активной обратной связи, т.н. Force Feedback, когда руль реагировал на ситуацию в игре как руль реального автомобиля, пытаясь вырваться из рук игрока при езде по неровной дороге, при потере сцепления колес с асфальтом руль начинает вращаться мягче и т.п.
    Следующая проблема оптического энкодера – точность, которой не хватало даже для джойстика с его 40 градусами вращения. Как мы помним, минимальный угол, на который можно повернуть руль, определяется шириной прорези. Чтобы повысить точность можно:
    а) сделать прорезь ỳже, а сам диск больше
    б) считать, что, например, 10 прорезей = 1 градусу поворота в игре, тогда минимальный угол поворота игрового руля составит 0,1 градуса, что уже вполне достаточно для точного управления.

    По первому пути не пошел никто из производителей – большой диск это увеличение габаритов, сужение прорезей – это проблемы с работой фотоэлемента, хотя такое решение позволило бы устанавливать диск с прорезями прямо на ось руля, не потребовался бы никакой редуктор.
    Все пошли по второму пути – стали устанавливать небольшой диск с широкими прорезями, но не напрямую на ось руля, а через шестеренчатый редуктор.
    Вроде бы проблема точности и долговечности руля была решена, но что делать с педалями? Места в корпусе педалей несравнимо меньше, чем в корпусе руля. Установить в педали оптический диск и редуктор – не тривиальная задача, особенно если учесть борьбу за цену конечного изделия. Дешевыми педали с точным редуктором точно не будут. В результате большинство производителей остановилось на компромиссном варианте – руль на оптике, педали на потенциометрах. В итоге пользователи этих рулей тоже досконально изучили внутреннее устройство своих педалей и потенциометров в них и пишут инструкции другим пользователям, как разбирать потенциометры и смазывать их WD-40.
    На сегодня на рынке есть только одна модель – Saitek R660GT, в которой оптические энкодеры установлены и в руле и педалях. Но за это пришлось платить точностью. Рулевое колесо имеет всего 128 отсчетов на 270 градусов вращения, педали – 60 отсчетов на 15 градусов.
    image

    Все остальные модели, вплоть до весьма недешевых Logitech G25 и G27, имеют педали на потенциометрах.
    Таким образом, применение вроде бы простого оптического датчика повлекло за собой усложнение конструкции руля – потребовался электродвигатель, сложный контроллер, дополнительный блок питания и редуктор, да к тому же мало кому удалось поставить оптику в педали.

    Кажется логичным, что решение проблем долговечности и точности руля и педалей лежит, так же как и у джойстиков, в области магнитных датчиков – они и компактные и высокоточные.
    Однако напрямую перенести технологии джойстиков в рули оказалось невозможно – датчики Холла, которые применяются в джойстиках, неприменимы в рулях. По весьма банальной причине – они не могут измерять углы больше 45 градусов.
    Кажется логичным применить в руле оптический сенсор, а в педалях – датчики Холла, однако сращивание оптических технологий и технологий магнитных в одном устройстве приведет к резкому усложнению контроллера, а он и так не простой, ведь он еще и должен управлять электродвигателем.

    Но у каждой проблемы есть решение и оно найдено. Магнитные датчики, способные измерять большие углы, давно созданы и успешно применяются в автомобильной промышленности. Однако применению их в игровых устройствах мешает высокая цена, к примеру, бесконтактный датчик угла поворота HRS100SSAB090 от компании HONEYWELL стоит от 30$, а на руль их надо минимум 3 шт.
    Пока решить эту проблему пока смогла только компания Gametrix, которая недавно вышла на российский рынок.
    В первой модели, получившей название Gametrix Viper, и на руле и на педалях установлены бесконтактные магнитные датчики, получившие название MaRS. Эти датчики обладают бесконечным ресурсом, т.к. в них нет никаких трущихся частей.
    image

    Датчики реализованы на базе магнитных резисторов от компании NXP-Philips, которые давно и успешно применяются в автомобилестроении.
    Они позволяют измерять любые углы с высочайшей точностью. К примеру, 12bit контроллер Gametrix Viper позволяет измерять углы поворота рулевого колеса с точностью 0.05 градуса!

    Думаю, не будет преувеличением сказать, что и в игровых рулях, как и в джойстиках, будущее за магнитными технологиями.

    Подведем итоги.


    Прогресс происходит на наших глазах, технологии сменяют друг друга все быстрее и быстрее. На рынке игровых устройств сегодня мы наблюдаем удивительную ситуацию: в магазинах представлены все поколения игровых устройств – от примитивных джойстиков и рулей начала 90-х до устройств на самых совершенных технологиях 21 века.
    Надеюсь, эта статья поможет Вам сделать правильный выбор при покупке.

    Извините за большие картинки, жать каждую вручную некогда, а как автоматизировать процесс не знаю.
    Схемы брал у уважаемого Бумбурума тут. Надеюсь, он меня за это простит.
    Поделиться публикацией
    Комментарии 6
      0
      Спасибо, интересная статья! А когда начали появляться оптические и магнитные джойстики?
        0
        Вот первый джойстик на оптическом датчике:
        ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:MS_SW_Precision_Pro_Inside_1.jpg
        Microsoft SideWinder Precision Pro
        Думаю, это единственный был джойстик в мире на датчике от оптической мыши.
        Когда он послупил в продажу не скажу, думаю, в 96-97 годах, но уже в 2001 его нельзя было нигде купить, сняли с производства.
        Cyborg 3D Force Stick, насколько я в курсе, был первым серийным джойстиком на оптическом энкодере (диске с прорезями), появился он в 2003 году.
        Первым джойстиком с магнитным датчиком стал Saitek X52, он начал продаваться в 2004-м.
        Думаю, в этом году появится новый джойстик Defender, он еще не анонсировался, но я 2 месяца назад видел на фабрике полностью готовый прототип, это будет первый в мире серийный джойстик на магнитных резисторах (тьфу-тьфу, его разработка идет уже 3 года, надеюсь, в этом году они его выпустят-таки).
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          0
          Не знаю такого джойстика, можете дать ссылку?
          0
          На хабре эти картинки, иллюстирующие строение оптического джойстика и джойстика с потенциометром определенно пользуются популярностью:
          habrahabr.ru/blogs/hardware/85545/
          habrahabr.ru/blogs/hardware/73127/
            0
            Видимо потому что они наглядные и доходчивые?

          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

          Самое читаемое