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操縱桿已在各種機(jī)械設(shè)備上得到應(yīng)用,包括F-15噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)、挖掘機(jī)和輪椅。本文將重點(diǎn)介紹計(jì)算機(jī)操縱桿,不過,其他類型的操縱桿運(yùn)作的基本原理與此相同。

不同操縱桿技術(shù)的差別主要體現(xiàn)在它們所傳送的信息的多少。許多早期游戲控制臺中的最簡單的操縱桿只不過是一個(gè)特殊的電子開關(guān)。

操縱桿的基本原理是將塑料桿的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的電子信息。這種基本的設(shè)計(jì)包括一個(gè)安放在帶有彈性橡膠外殼的塑料底座上的操縱桿。在底座中操縱桿正下方位置裝有一塊電路板。電路板由一些"印刷線路"組成,并且這些線路連接到幾個(gè)接觸觸點(diǎn)。然后,從這些觸點(diǎn)引出普通電線連接到計(jì)算機(jī)。

印刷線路構(gòu)成了一個(gè)簡單的電路(該電路由一些更小的電路構(gòu)成)。這些線路僅僅將電流從一個(gè)觸點(diǎn)傳送到另一個(gè)觸點(diǎn)。當(dāng)操縱桿處于中間位置時(shí),也就是當(dāng)您還未將操縱桿推向任何一邊時(shí),除了一個(gè)電路之外的所有其他電路均處于斷開狀態(tài)。由于每條線路中的導(dǎo)體材料并沒有完全連接,因此電路中沒有電流通過。

每個(gè)斷開部分的上方覆蓋著一個(gè)帶有小金屬圓片的簡單塑料按鈕。當(dāng)您朝任一方向移動(dòng)操縱桿時(shí),操縱桿便會(huì)向下擠壓其中的一個(gè)按鈕,使導(dǎo)電的金屬圓片接觸到電路板。如此一來,就可以閉合電路,完成兩個(gè)線路部分的連接。電路閉合之后,電流就會(huì)從計(jì)算機(jī)(或游戲控制臺)沿著一條線路流過,穿過印刷線路,通過另外一條線路返回計(jì)算機(jī)(或游戲控制臺)。

分壓器

每個(gè)分壓器由一個(gè)卷曲導(dǎo)軌形式的電阻和一個(gè)可移動(dòng)的觸臂組成。計(jì)算機(jī)電源的電流從輸入端開始,通過卷曲的電阻和觸臂,流回計(jì)算機(jī)的操縱桿端口。

沿著導(dǎo)軌移動(dòng)觸臂,可以增大或減小作用于流經(jīng)此電路的電流的電阻值。如果觸臂位于與分壓器輸入連接端相對的另一端,電流將流經(jīng)整個(gè)長度的電阻,因而電流遇到的電阻最大。如果觸臂靠近輸入端,則分壓器的電阻最小。

每個(gè)分壓器連接到操縱桿的一個(gè)軸,因此轉(zhuǎn)動(dòng)軸將會(huì)移動(dòng)觸臂。也就是說,如果將操縱桿向前推動(dòng)到頭,則會(huì)將分壓器觸臂移動(dòng)到導(dǎo)軌的一端,如果向胸前回拉操縱桿,則將觸臂向另一方向移動(dòng)。

改變分壓器的電阻值可以改變接入分壓器的電路中的電流。通過這種方式,分壓器先將操縱桿的物理位移轉(zhuǎn)換成電信號,再將信號傳遞到計(jì)算機(jī)上的操縱桿端口。

此電信號完全是模擬信號,是一種包含信息的變化的波形,就像無線電信號一樣。為了利用這種信息,計(jì)算機(jī)需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息,即精確的數(shù)值。

數(shù)字化

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)內(nèi)部的卡(印刷線路板)通過使用非常粗糙的模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成這個(gè)任務(wù)。其基本思路是利用每個(gè)分壓器引起的電壓變化為電容充電,電容是一個(gè)簡單的儲存電荷的電子元件(有關(guān)更多信息,請參見電容器工作原理)。調(diào)節(jié)分壓器使電阻值越大,電容充電的時(shí)間越長;分壓器電阻值越小,電容充電速度越快。

先將電容放電然后再計(jì)算電容充電所需的時(shí)間,通過這個(gè)方式轉(zhuǎn)換器以此確定分壓器的位置,從而確定操縱桿的位置。測量到的充電速率是計(jì)算機(jī)可以識別的數(shù)值。當(dāng)計(jì)算機(jī)需要讀取操縱桿位置時(shí),便會(huì)執(zhí)行此操作。

將分壓器連接到旋轉(zhuǎn)的部件,可以將這種系統(tǒng)應(yīng)用到各種控

制系統(tǒng)中。例如,傳統(tǒng)的方向盤的工作原理即是如此,通過方向盤直接轉(zhuǎn)動(dòng)分壓器觸臂。一些操縱桿還使用一個(gè)對應(yīng)于Z軸的分壓器,Z軸由操縱桿自身的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)。 一些操縱桿還帶有一個(gè)"大高帽"(操縱桿頂部的一個(gè)用拇指操控的微型控制器)。這種小型操縱桿使用了與上一節(jié)中介紹的簡易操縱桿相同的開關(guān)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)總體上可以很好地工作,但確實(shí)存在一些限制。在下一節(jié)中,我們將探討模擬系統(tǒng)的主要弊端并了解一些最新的解決方案。

操縱桿制造商采用了幾種不同的方法來解決這些問題。一種解決方案就是在專用的游戲適配卡或操縱桿自身中增加一個(gè)靈敏的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。在這個(gè)系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)換器直接向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)字信息,從而提高了操縱桿的精確度并減輕了主機(jī)處理器的工作。這些新的操縱桿模型通常連接到USB端口,這也可以提高速度和可靠性。另一個(gè)解決方案就是完全放棄模擬分壓器技術(shù)。一些最新的控制器采用光學(xué)傳感器以數(shù)字方式讀取操縱桿的運(yùn)動(dòng)位置。圖1顯示了一種常見的系統(tǒng)。

在這個(gè)系統(tǒng)中,兩個(gè)軸連接到兩個(gè)開槽輪盤。每個(gè)輪盤都位于兩個(gè)發(fā)光二極管(LED)和兩個(gè)光電池之間(為方便起見,圖1中僅顯示了一對光電池和發(fā)光二極管)。當(dāng)每個(gè)LED發(fā)出的光透過一個(gè)槽孔時(shí),輪盤另一側(cè)的光電池就會(huì)產(chǎn)生微弱的電流。當(dāng)輪盤輕微轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將阻擋住光線,此時(shí)光電池不會(huì)產(chǎn)生電流(或者產(chǎn)生的電流很小)。

軸旋轉(zhuǎn)時(shí)將帶動(dòng)輪盤轉(zhuǎn)動(dòng),移動(dòng)的槽孔會(huì)反復(fù)阻擋射向光電池的光束。這使得光電池產(chǎn)生高速電流脈沖。根據(jù)光電池產(chǎn)生的脈沖數(shù)量,處理器就能知道操縱桿移動(dòng)的距離。通過比較來自監(jiān)測同一個(gè)輪盤的兩個(gè)光電池的脈沖圖,處理器可以計(jì)算出操縱桿移動(dòng)的軌跡。許多計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)也采用了同樣的基本系統(tǒng)。

當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測到特定線路上的電流后,便會(huì)了解操縱桿當(dāng)前所處的位置需要接通相關(guān)的電路。向前推操縱桿將會(huì)閉合"前進(jìn)開關(guān)",而向左推則會(huì)閉合"左移開關(guān)",依次類推。在某些設(shè)計(jì)中,計(jì)算機(jī)還能在操縱桿閉合兩個(gè)開關(guān)時(shí)識別出對角線位置(例如,同時(shí)閉合前進(jìn)開關(guān)和左移開關(guān)意味著向左前方的對角線運(yùn)動(dòng))。開火按鈕的原理完全一樣:當(dāng)您按下按鈕時(shí),意味著將閉合一個(gè)電路,計(jì)算機(jī)也就可以識別出開火命令。

這種設(shè)計(jì)以類似速記的方式傳送操縱桿的運(yùn)動(dòng),它以絕對值而非細(xì)微變化的形式來處理運(yùn)動(dòng)。換句話說,它并不能區(qū)分向前輕推操作桿的動(dòng)作和將操作桿向前一直推到頭的動(dòng)作,對它來說兩者傳送的都僅僅是一個(gè)表示向前進(jìn)的數(shù)值。

對某些游戲而言,這種思路是好的,甚至是無可挑剔的。例如,對PAC Man或Tetris而言,這種設(shè)計(jì)已經(jīng)很完美了。但對于其他游戲,如模擬飛行而言,這種設(shè)計(jì)存在相當(dāng)大的局限性。在下一節(jié)中,我們將了解到能夠檢測到細(xì)微位移的傳統(tǒng)模擬操縱桿設(shè)計(jì)。

為了向計(jì)算機(jī)傳遞完整的運(yùn)動(dòng)過程,操縱桿需要測量其在兩個(gè)軸上的位置:X軸(從左到右)和Y軸(自上到下)。與在基礎(chǔ)幾何學(xué)中一樣,X-Y坐標(biāo)系精確地標(biāo)明了操縱桿所在的位置。

在標(biāo)準(zhǔn)的操縱桿設(shè)計(jì)中,游戲手柄移動(dòng)一個(gè)安裝在兩根可旋轉(zhuǎn)開槽軸中的窄棒。前后扳動(dòng)操縱桿將使Y方向軸從一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)到另一側(cè)。左右扳動(dòng)操縱桿將使X方向軸轉(zhuǎn)動(dòng)。沿對角線移動(dòng)操縱桿時(shí),則會(huì)使兩個(gè)軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)您松開操縱桿時(shí),幾個(gè)彈簧會(huì)將操縱桿彈回中央位置。

操縱桿控制系統(tǒng)僅需監(jiān)視每一個(gè)軸的位置就能確定操縱桿的位置。傳統(tǒng)的模擬操縱桿通過兩個(gè)分壓器或可變電阻來達(dá)到上述目的。圖3顯示了一個(gè)典型的布局。

作用力反饋操縱桿(也稱觸覺反饋操縱桿)的基本思路是將操縱桿的運(yùn)動(dòng)與屏幕上的動(dòng)作聯(lián)系起來。例如,您在戰(zhàn)斗游戲中用機(jī)關(guān)槍掃射時(shí),操縱桿會(huì)在您的手中震動(dòng)�；蛘�,如果您的飛機(jī)在飛行游戲中墜毀了,操縱桿會(huì)猛然向后推。

作用力反饋操縱桿的大部分組件與普通的操縱桿相同,只是增加了幾個(gè)重要組件:一個(gè)板載微處理器、幾臺電動(dòng)機(jī)以及一個(gè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)或皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)。圖4顯示了一種簡單設(shè)計(jì)。

與操縱桿相連的X方向軸和Y方向軸均與皮帶輪接合在一起。每根軸的皮帶的另一端與一個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸接合在一起。在這個(gè)機(jī)構(gòu)中,旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)軸將移動(dòng)皮帶,從而帶動(dòng)方向軸轉(zhuǎn)動(dòng);轉(zhuǎn)動(dòng)方向軸也將移動(dòng)皮帶,從而帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。皮帶的作用是傳遞和放大從電動(dòng)機(jī)到方向軸的作用力。

板載處理器和操縱桿的物理運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號都會(huì)使電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。這樣,甚至在電動(dòng)機(jī)移動(dòng)操縱桿的同時(shí),您仍然可以移動(dòng)操縱桿。

在電動(dòng)機(jī)的另一端,其轉(zhuǎn)軸與操縱桿的位置傳感器(如分壓器或者光學(xué)傳感器)相連。只要操縱桿發(fā)生移動(dòng),無論這種移動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)引起的還是游戲者引起的,傳感器都可以檢測出操縱桿的位置。

操縱桿有一個(gè)內(nèi)置的ROM芯片用來存儲各種電動(dòng)機(jī)動(dòng)作序列。例如,其中可能會(huì)有一個(gè)機(jī)關(guān)槍動(dòng)作序列要求電動(dòng)機(jī)快速地改變方向,或一個(gè)火箭筒動(dòng)作序列要求電動(dòng)機(jī)突然來回移動(dòng)操縱桿。游戲軟件請求特定的序列,計(jì)算機(jī)將請求傳輸?shù)讲倏v桿的板載處理器上,處理器然后從自身的存儲器中讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這種方式減輕了計(jì)算機(jī)的工作負(fù)荷,并有利于提高反應(yīng)速度。

隨著操縱桿技術(shù)的不斷發(fā)展,制造商會(huì)逐漸地將作用力反饋技術(shù)提高到一個(gè)全新的水平。這對于游戲發(fā)燒友來說無疑是個(gè)令人振奮的消息,當(dāng)然,它也可能會(huì)給其他人的生活帶來很大影響。作用力反饋控制器技術(shù)將會(huì)在工業(yè)機(jī)械、輪椅和其他殘疾人設(shè)備,甚至是醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域帶來重大變革。相關(guān)研究人員也在不斷開發(fā)作用力反饋控制器,以便人們在網(wǎng)上沖浪的同時(shí)也能感受到來自互聯(lián)網(wǎng)的震撼。

作用力反饋技術(shù)可能的應(yīng)用領(lǐng)域是無限的!將來,操縱桿將會(huì)像現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)鍵盤一樣無處不在。

電感式操縱桿

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重型可移動(dòng)機(jī)械 醫(yī)療器械 閉路電視攝相機(jī)控制系統(tǒng) 船舶操舵系統(tǒng) 娛樂設(shè)施控制臺

演播室或舞廳燈光設(shè)備 演播室攝像機(jī)升降平臺

開關(guān)式操縱桿

給出的是開關(guān)信號.其特點(diǎn)是可通過的大電流,設(shè)計(jì)緊湊,外形輕巧,響應(yīng)迅速,定心平滑,壽命長,可靠性高,易于安裝。

典型應(yīng)用:工業(yè)控制 遠(yuǎn)程無線電控制 雷達(dá)&導(dǎo)航系統(tǒng) 機(jī)器人技術(shù) 測量系統(tǒng) 重型&移動(dòng)機(jī)械

閉路電視控制系統(tǒng) 可移動(dòng)設(shè)備 演播室舞廳燈光設(shè)備 軍用設(shè)備

電位式操縱桿

給出的也是連續(xù)的模擬信號.其核心是操縱桿上的搖桿帶動(dòng)底下3個(gè)軸上的高精度可調(diào)電位器滑動(dòng),從而輸出對應(yīng)方向上的位置信號.

重載式操縱桿

是電感式操縱桿在特殊場合的升級應(yīng)用,主要應(yīng)用于重型,手動(dòng)機(jī)械.

重型機(jī)械 草木修剪機(jī)械 農(nóng)業(yè)機(jī)械 懸浮車輛 修路設(shè)備 叉車 剪式起重機(jī)械 觀測臺

鉆床 射擊臺 軍用設(shè)備 拱形機(jī)械 船舶操舵系統(tǒng)