操縱桿工作原理

引言

操縱桿為我們表演了一個(gè)非常巧妙的戲法，它將純粹的物理動(dòng)作（手部的運(yùn)動(dòng)）完完全全地轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)形式（一連串0和1所組成的計(jì)算機(jī)語言）。優(yōu)秀的操縱桿可以完美地實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，讓您絲毫察覺不出其中的奧妙。當(dāng)您真正投入到游戲中時(shí)，您會(huì)覺得自己完全置身于虛擬世界中。

在本文中，您將會(huì)了解到一些常見的操縱桿是如何在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的。正如您下文中將會(huì)看到的，從最初的游戲控制臺(tái)設(shè)計(jì)到現(xiàn)有的復(fù)雜的“作用力反饋”模型，操縱桿技術(shù)已經(jīng)向前邁進(jìn)了一大步。

操縱桿的基本原理

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。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(tái)中的最簡單的操縱桿只不過是一個(gè)特殊的電子開關(guān)。

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(tái)）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(tái)）。

操縱桿的運(yùn)動(dòng)

當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)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(shí)別出對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)某些游戲而言，這種思路是好的，甚至是無可挑剔的。例如，對(duì)Pac Man或Tetris而言，這種設(shè)計(jì)已經(jīng)很完美了。但對(duì)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(cè)到細(xì)微位移的傳統(tǒng)模擬操縱桿設(shè)計(jì)。

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(cè)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(duì)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。下圖顯示了一個(gè)典型的布局。

操縱桿的分壓器

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(duì)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(hào)，再將信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)上的操縱桿端口。

此電信號(hào)完全是模擬信號(hào)，是一種包含信息的變化的波形，就像無線電信號(hào)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。

操縱桿的數(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(chǔ)存電荷的電子元件（有關(guān)更多信息，請(qǐng)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(cè)量到的充電速率是計(jì)算機(jī)可以識(shí)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(duì)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。

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(chǔ)存電荷的電子元件（有關(guān)更多信息，請(qǐng)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(cè)量到的充電速率是計(jì)算機(jī)可以識(shí)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(duì)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。

傳統(tǒng)的模擬操縱桿系統(tǒng)存在幾個(gè)大的難題。首先，該系統(tǒng)沒有一個(gè)真正的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，粗糙的數(shù)模轉(zhuǎn)換處理不是非常精確。這在一定程度上降低了操作桿的靈敏度。

其次，計(jì)算機(jī)主機(jī)專門分配出大量的處理能力來定期“輪詢”操縱桿系統(tǒng)以確定操縱桿的位置。這就使得處理其他操作的能力下降了。

接下來，讓我們看看目前設(shè)計(jì)者是如何解決這些問題的。

新的操縱桿部件

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（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見USB端口工作原理）。

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。下圖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，圖中僅顯示了一對(duì)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?。?。

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(cè)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)。（有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱電路參考文獻(xiàn)。）

操縱桿發(fā)展歷程中最大的亮點(diǎn)之一就是作用力反饋技術(shù)。在下一節(jié)中，我們將介紹這些操縱桿是如何讓你在一個(gè)新的層次上體驗(yàn)游戲樂趣的。

作用力反饋操縱桿

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(tái)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)。下圖顯示了一種簡單設(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(hào)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(cè)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(chǔ)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(qǐng)求特定的序列，計(jì)算機(jī)將請(qǐng)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(chǔ)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(duì)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?cè)诰W(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。

有關(guān)操縱桿的前景及其現(xiàn)在和過去的操縱桿技術(shù)的更多信息，請(qǐng)查看下一頁上的鏈接。