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操縱桿是將純粹的物理動作(手部的運動)完完全全地轉換成數學形式(一連串0和1所組成的計算機語言)。

1概述

操縱桿已在各種機械設備上得到應用,包括F-15噴氣式戰鬥機、挖掘機和輪椅。本文將重點介紹計算機操縱桿,不過,其他類型的操縱桿運作的基本原理與此相同。
不同操縱桿技術的差別主要體現在它們所傳送的信息的多少。許多早期遊戲控制台中的最簡單的操縱桿只不過是一個特殊的電子開關。

2工作原理

操縱桿的基本原理是將塑料桿的運動轉換成計算機能夠處理的電子信
操縱桿

  操縱桿

息。這種基本的設計包括一個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,並且這些線路連接到幾個接觸觸點。然後,從這些觸點引出普通電線連接到計算機。
印刷線路構成了一個簡單的電路(該電路由一些更小的電路構成)。這些線路僅僅將電流從一個觸點傳送到另一個觸點。當操縱桿處於中間位置時,也就是當您還未將操縱桿推向任何一邊時,除了一個電路之外的所有其他電路均處於斷開狀態。由於每條線路中的導體材料並沒有完全連接,因此電路中沒有電流通過。
每個斷開部分的上方覆蓋著一個帶有小金屬圓片的簡單塑料按鈕。當您朝任一方向移動操縱桿時,操縱桿便會向下擠壓其中的一個按鈕,使導電的金屬圓片接觸到電路板。如此一來,就可以閉合電路,完成兩個線路部分的連接。電路閉合之後,電流就會從計算機(或遊戲控制台)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算機(或遊戲控制台)。
數字化
在傳統的系統中,計算機內部的卡(印刷線路板)通過使用非常粗糙的模數轉換器完成這個任務。其基本思路是利用每個分壓器引起的電壓變化為電容充電,電容是一個簡
操縱桿

  操縱桿

單的儲存電荷的電子元件(有關更多信息,請參見電容器工作原理)。調節分壓器使電阻值越大,電容充電的時間越長;分壓器電阻值越小,電容充電速度越快。
先將電容放電然後再計算電容充電所需的時間,通過這個方式轉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算機可以識別的數值。當計算機需要讀取操縱桿位置時,便會執行此操作。
將分壓器連接到旋轉的部件,可以將這種系統應用到各種控
制系統中。例如,傳統的方向盤的工作原理即是如此,通過方向盤直接轉動分壓器觸臂。一些操縱桿還使用一個對應於Z軸的分壓器,Z軸由操縱桿自身的轉動來帶動。 一些操縱桿還帶有一個「大高帽」(操縱桿頂部的一個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中介紹的簡易操縱桿相同的開關係統。
傳統的模擬系統總體上可以很好地工作,但確實存在一些限制。在下一節中,我們將探討模擬系統的主要弊端並了解一些最新的解決方案。
操縱桿製造商採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遊戲適配卡或操縱桿自身中增加一個靈敏的數模轉換晶元。在這個系統中,轉換器直接向計算機傳送數字信息,從而提高了操縱桿的精確度並減輕了主機處理器的工作。這些新的操縱桿模型通常連接
操縱桿

  操縱桿

到USB埠,這也可以提高速度和可靠性。另一個解決方案就是完全放棄模擬分壓器技術。一些最新的控制器採用光學感測器以數字方式讀取操縱桿的運動位置。下圖顯示了一種常見的系統。
在這個系統中,兩個軸連接到兩個開槽輪盤。每個輪盤都位於兩個發光二極體(LED)和兩個光電池之間(為方便起見,圖中僅顯示了一對光電池和發光二極體)。當每個LED發出的光透過一個槽孔時,輪盤另一側的光電池就會產生微弱的電流。當輪盤輕微轉動時將阻擋住光線,此時光電池不會產生電流(或者產生的電流很小)。
軸旋轉時將帶動輪盤轉動,移動的槽孔會反覆阻擋射向光電池的光束。這使得光電池產生高速電流脈衝。根據光電池產生的脈衝數量,處理器就能知道操縱桿移動的距離。通過比較來自監測同一個輪盤的兩個光電池的脈衝圖,處理器可以計算出操縱桿移動的軌跡。許多計算機滑鼠也採用了同樣的基本系統。

3運動轉換

當計算機檢測到特定線路上的電流后,便會了解操縱桿當前所處的位置需要接通相關的電路。向前推操縱桿將會閉合「前進開關」,而向左推則會閉合「左移開關」,依次類推。在某些設計中,計算機還能在操縱桿閉合兩個開關時識別出對角線位置(例如,同時閉合前進開關和左移開關意味
英國PML操縱桿

  英國PML操縱桿

著向左前方的對角線運動)。開火按鈕的原理完全一樣:當您按下按鈕時,意味著將閉合一個電路,計算機也就可以識別出開火命令。
這種設計以類似速記的方式傳送操縱桿的運動,它以絕對值而非細微變化的形式來處理運動。換句話說,它並不能區分向前輕推操作桿的動作和將操作桿向前一直推到頭的動作,對它來說兩者傳送的都僅僅是一個表示向前進的數值。
對某些遊戲而言,這種思路是好的,甚至是無可挑剔的。例如,對Pac Man或Tetris而言,這種設計已經很完美了。但對於其他遊戲,如模擬飛行而言,這種設計存在相當大的局限性。在下一節中,我們將了解到能夠檢測到細微位移的傳統模擬操縱桿設計。

4運動識別

為了向計算機傳遞完整的運動過程,操縱桿需要測量其在兩個軸上的位置:X軸(從左到右)和Y軸(自上到下)。與在基礎幾何學中一樣,X-Y坐標系精確地標明了操縱桿所在的位置。
在標準的操縱桿設計中,遊戲手柄移動一個安裝在兩根可旋轉開槽軸中的窄棒。前後扳動操縱桿將使Y方向軸從一側轉動到另一側。左右扳動操縱桿將使X方向軸轉動。沿對角線移動操縱桿時,則會使兩個軸同時轉動。當您鬆開操縱桿時,幾個彈簧會將操縱桿彈回中央
操縱桿

  操縱桿

位置。
操縱桿控制系統僅需監視每一個軸的位置就能確定操縱桿的位置。傳統的模擬操縱桿通過兩個分壓器或可變電阻來達到上述目的。下圖顯示了一個典型的布局。

5作用力反饋

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動與屏幕上的動作聯繫起來。例如,您在戰鬥遊戲中用機關槍掃射時,操縱桿會在您的手中震動。或者,如果您的飛機在飛行遊戲中墜毀了,操縱桿會猛然向後推。
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
操縱桿

  操縱桿

了幾個重要組件:一個板載微處理器、幾台電動機以及一個齒輪傳動系統或皮帶傳動系統。下圖顯示了一種簡單設計。
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電動機的轉軸接合在一起。在這個機構中,旋轉電動機軸將移動皮帶,從而帶動方向軸轉動;轉動方向軸也將移動皮帶,從而帶動電動機轉軸旋轉。皮帶的作用是傳遞和放大從電動機到方向軸的作用力。
板載處理器和操縱桿的物理運動產生的電信號都會使電動機軸旋轉。這樣,甚至在電動機移動操縱桿的同時,您仍然可以移動操縱桿。
在電動機的另一端,其轉軸與操縱桿的位置感測器(如分壓器或者光學感測器)相連。只要操縱桿發生移動,無論這種移動是由電動機引起的還是遊戲者引起的,感測器都可以檢測出操縱桿的位置。
操縱桿有一個內置的ROM晶元用來存儲各種電動機動作序列。例如,其中可能會有一個機關槍動作序列要求電動機快速地改變方向,或一個火箭筒動作序列要求電動機突然來回移動操縱桿。遊戲軟體請求特定的序列,計算機將請求傳輸到操縱桿的板載處理器上,處理器然後從自身的存儲器中讀取相應的數據。這種方式減輕了計算機的工作負荷,並有利於提高反應速度。
隨著操縱桿技術的不斷發展,製造商會逐漸地將作用力反饋技術提高到一個全新的水平。這對於遊戲發燒友來說無疑是個令人振奮的消息,當然,它也可能會給其他人的生活帶來很大影響。作用力反饋控制器技術將會在工業機械、輪椅和其他殘疾人設備,甚至是醫療護理領域帶來重大變革。相關研究人員也在不斷開發作用力反饋控制器,以便人們在網上衝浪的同時也能感受到來自互聯網的震撼。
作用力反饋技術可能的應用領域是無限的!將來,操縱桿將會像現在的計算機鍵盤一樣無處不在。

6分類及典型應用

開關式操縱桿
給出的是開關信號.其特點是可通過的大電流,設計緊湊,外形輕巧,響應迅速,定心平滑,壽命長,可靠性高,易於安裝。
典型應用:工業控制 遠程無線電控制 雷達&導航系統 機器人技術 測量系統 重型&移動機械
閉路電視控制系統 可移動設備 演播室舞廳燈光設備 軍用設備
重載式操縱桿
是電感式操縱桿在特殊場合的升級應用,主要應用於重型,手動機械.
重型機械 草木修剪機械 農業機械 懸浮車輛 修路設備 叉車 剪式起重機械 觀測台
鑽床 射擊台 軍用設備 拱形機械 船舶操舵系統
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