Как устроен и работает джойстик

Первые упоминания слова «джойстик» в контексте повествований о качающемся элементе управления в авиации встречаются, например, у Роберта Лорена, который в 1910 году писал о привязываемом, во избежание случайного взлета, центральном рычаге. Одна из версий названия этого рычага гласит, что джойстик получил его в честь изобретателя по фамилии Джордж – George stick, а потом стали называть более кратко — «joystick» — палочка радости, как символ радости полета.

Первое применение наклоняющегося узла такого рода было реализовано еще на подлодках конфедератов для рулевого управления. В 1943 году электрический джойстик использовали нацисты для управления ракетой типа кнюппель. Позже, в 1960-е, электрические джойстики стали внедрять повсеместно, начиная с авиамоделей на радиоуправлении, заканчивая инвалидными креслами с электроприводом.

Сегодня джойстик более всего ассоциируется с устройством ввода данных в компьютер, представляющим собой ручку, способную качаться в двух вертикальных плоскостях. Вы можете при помощи джойстика управлять, например, перемещением виртуального самолета на экране в трехмерном или двухмерном пространстве симулятора. Изредка джойстики допускают вращение их ручки вокруг вертикальной оси.

Практически электроника интерпретирует положение ручки, передавая через ПО компьютера информацию о текущих значениях трех пространственных координат, и таким образом изменять положение объекта на мониторе. Кроме непосредственно палочки, джойстик часто имеет еще и кнопки, тумблеры, слайдеры и прочие вспомогательные элементы управления, сильно расширяющие его функционал. Джойстики находят применение в компьютерных играх, мобильных телефонах, роботах и т. д.

Джойстики различаются по количеству рабочих плоскостей, в которых с его помощью изменяется положение управляемого объекта. Одномерные джойстики позволяют перемещать объект вверх-вниз, вперед-назад, влево-вправо. Двумерные допускают движение в двух плоскостях. Трехмерные — во всем трехмерном пространстве.

Принцип анализа положения ручки джойстика может быть разным. Есть дискретные сенсоры, способные воспринимать одно из двух положений, интерпретируемых как «0» или «1». Ручка в полностью отведенном положении — инициирует код своего направления.

Если ручка продолжает удерживаться в этом положении, то код повторяется непрерывно. Такие джойстики можно встретить на корпусах мобильных телефонов, на игровых автоматах, у простейших игровых приставок.

Аналоговые сенсоры реагируют более широко, ибо все пространство угла наклона джойстика как-бы устелено воспринимаемыми сигналами от нуля до максимума: ручка отклонена дальше — значение кода больше, ограничение накладывается только чувствительностью и разрешением сенсоров, причем доступна калибровка по координатам, что позволяет указывать абсолютную позицию курсора.

Типы сенсоров джойстиков

Аналоговые сенсоры в джойстиках реализуются различными путями. Устройства с потенциометром и аналого-цифровым преобразователем не имеют особенных требований к механике, но качество питания здесь крайне важно, а датчик недолговечен.

Решения с энкодером — оптическим датчиком, таким как зубчатое колесо, прерывающее световой луч внутри «мыши», — достаточно точны и надежны, но имеют малую дискретность шага (всего 150 шагов на ход джойстика). Для повышения точности позиционирования применяют мультипликаторы или высокоточные энкодеры.

Тензометрические сенсоры служат в джойстиках ноутбуков и даже некоторых самолетов, но в игровых средствах распространены мало, ибо здесь необходимо устойчивое и жесткое крепление.

Джойстики с оптической матрицей, как в оптической мыши, имеют высокую точность и надежность, но размер хода относительно мал.

Датчики на основе эффекта Холла надежны и долговечны, они хороши тогда, когда работают совместно со схемой компенсации погрешностей сборки при производстве.

Большинство современных джойстиков имеют интерфейс подключения USB, поэтому сопрягаются как с ПК, так и с игровыми приставками.

Среди аналоговых встречаются одноосные и двухосные датчики джойстиков. С одноосным датчиком ручка закреплена на карданном подвесе, когда каретка качается вправо и влево, а ручка на каретке — вверх и вниз. Моменты качания ручки относительно каретки, а каретки относительно основания джойстика — отмечаются сенсорами.

Двухосные оптические и магнитные сенсоры включают в себя закрепленный на ручке магнит или лазер, движущийся около следящей за его положением микросхемы. Вместо кардана в основании ручки может быть установлен шаровой шарнир.

Дискретный джойстик с шарниром устроен очень просто — он в четырех крайних положениях замыкает контакт. Шарнир может быть упрощенным, и представлять собой просто комбинацию шипов и пазов, либо это может быть кардан или шаровой шарнир.

Дополнительные кнопки и переключатели на игровом джойстике могут иметь различное назначение. Например тумблер автоматического огня, располагаемый под пальцем, позволяет зафиксировать режим стрельбы. Компактно размещенные кнопки «шляпа» используются реже, но служат для управления и навигации в меню или переключения вида.

Колесико, ползунок или рычажок — для управления двигателем виртуального автомобиля. Педали или просто поворотная ручка (упрощенный вариант) — для симуляции вождения. Есть модели и с педалями, и с ручкой. Более дорогие джойстики имеют дополнительные ползунки, например для регулировки шага винта в авиасимуляторе.

Джойстики находят самое широкое применение не только в играх, но и в системах автоматизированного проектирования и трехмерного моделирования. Здесь популярны трехмерные джойстики, позволяющие перемещать объекты в трех плоскостях. Существует множество прототипов таких джойстиков, но всего несколько фирм выпускают подобные продукты серийно. Среди них: Force Dimension, Novint Technologies, 3Dconnexion.