ゲームホイールとジョイスティック-ゲーム機器の21世紀の技術

この記事はComputer Buildマガジン用に作成されたため、テキストは意図的に簡略化されています。 雑誌は記事を受け入れませんでした、ここで私はそれをここに公開しています。



20世紀はアナログ技術の世紀でした。 ラジオ、テレビ、電話-すべては、オーディオおよびビデオ情報の電気的アナログの送信場所での作成と、受信場所でのレクリエーションに基づいて構築されました。 ランプ、リレー、ポテンショメータの時代でした。

トランジスタの誕生は半導体の世紀を生み出し、半導体は世界にデジタルテクノロジーをもたらしました。21世紀の頃には、デジタルテクノロジーが私たちの生活のアナログに取って代わりつつあります。 アナログテレビの寿命はそう長くはありませんでしたが、アナログテレフォニーはデジタルセルラー通信の前で急速に地位を失っています。 21世紀がデジタル技術と半導体の世紀になることは間違いありません。

テクノロジーの世界的な進化が、コンピューターゲームを管理するデバイスにどのように影響したかを見てみましょう。

ジョイスティックとゲームホイールの 2つの大きなクラスのゲームデバイスを検討してください。 デバイスの外観と人間工学については考慮しません。これは雑誌やネットワークの多くの記事で説明されていますが、内部を見て、テクノロジーが市場リーダーのデバイスのどこに動いているかを理解してみましょう。

ジョイスティック

ジョイスティックは、明らかにコンピュータゲームを制御する最初のデバイスでした。 最初のジョイスティックは非常に原始的でした-実際には、ジョイスティックハンドルがいずれかの方向に拒否されたときに押された、1つのケースで組み立てられた4つのボタンだけでした。 多くの場合、そのようなジョイスティックを接続するためのインターフェースは提供されておらず、デバイスの接点はキーボードボタンに直接はんだ付けされていました。

ZX Spectrumのこのようなジョイスティックを今でも多くの人が覚えていると思います。





彼らは「離散」と呼ばれています それらは、値0または1のみをオン/オフにできます。



IBM PCの登場により、最初の本格的なフライトシミュレーターが登場しました。 たとえば、F-19ステルスファイターゲームは、多くの仮想パイロットに「空へのチケット」を与えました。

もちろん、バーチャルフライトへの関心の高まりは、ゲームデバイスの製造業者を追い越すことはできません。

そして、IBM PC用のジョイスティックが登場し始めました。

当時のジョイスティックの典型的な代表者：



興味深いのは、これらのモデルがまだ販売されていることです！

個別のジョイスティックとは異なり、これらのジョイスティックはアナログでした。 ノブを拒否すると、ユーザーは0と1ではなく、0〜255の値の範囲で出力を受け取り、アナログセンサー（ ポテンショメーター ）が内部に収まりました 。 センサーがゲームに与えた値の範囲は、コントローラーのビット深度（8ビット）に関連付けられていました。

アナログ軸により、プレイヤーはゲームをより正確に制御できるようになり、仮想飛行機の制御を実際の飛行機に近づけることができました。

しかし、最初の問題はすぐに明らかになりました。 ハンドルの偏差角度は、回転軸に取り付けられたポテンショメーターを使用して決定されます。 学校の物理学コースを思い出してください-ポテンショメーターは抵抗層上のエンジンの摩擦に基づいて構築されています。





極端な出力と中央出力の間の抵抗を変更することにより、ジョイスティックハンドルが拒否される角度が決定されます。

なぜなら エンジンは抵抗層に沿ってスライドするため、ポテンショメーターの耐用年数は抵抗物質が消去される時間によって制限されます。 ポテンショメータのメーカーは、これについて正直に警告し、センサーが提供する「サイクル数」などのパラメーターを大まかに言って特性に示します-正常に動作しなくなるまで何度回せるか。 ゲーム機器で使用されるほとんどのポテンショメータの場合、この数値は50万から100万サイクルです。 それはたくさんのように思えますが、カウントしましょう。 平均して、プレーヤーは1秒間に1回動きます。つまり、ゲームの50万秒後に、デバイスは正常に動作しなくなります。 そして、50万秒はわずか138時間です。 つまり 1日に1時間プレイする場合、物理学のすべての法則に従って、6か月未満でそのようなジョイスティックが保証されます。

しかし、ジョイスティックのメーカーはこの設計機能について微妙に沈黙しているため、ジョイスティックに「500,000サイクルの設計」という碑文は表示されません。 ただし、保証期間の数字は6〜12か月です。 この場合の保証期間は、ポテンショメーターのリソースに明確に関係しているため、ジョイスティックの場合は、デバイスの寿命でもあります。

ユーザーの発見は不快であることが判明しました。1日に1時間もかけずに、6か月ごとにジョイスティックを交換するのは採算が取れません。 どうする 市民の巧みな手は、ジョイスティックの分解と、ポテンショメーターをWD-40タイプの特別なグリースで潤滑することにより、ポテンショメーターリソースを大幅に拡張することを素早く習得しました。

製造業者は、より長いリソースを備えたより高価なポテンショメータを使用して問題を解決し始めましたが、それらが半分の対策であることは明らかでした。



非接触ソリューションを探す必要があり、 光学センサーの形で提案されました。

最初のこのようなソリューションは、Microsoft SideWinder Precision ProジョイスティックでMicrosoftによって提案されました。 マウス用の光学センサーの出現により、Microsoftはジョイスティック内に同じ技術を適用しようとしましたが、解決策は成功せず、そのようなセンサーを備えたジョイスティックはリリースされませんでした。



よりシンプルな光学式エンコーダーは、よりシンプルで信頼性が高いことが判明しました（従来のボール付きマウスのように）。





たとえば、サイボーグ3Dフォーススティックジョイスティックは次の原理に基づいて構築されています。





このようなセンサーを使用することで、ジョイスティックのリソースを新しいレベルに引き上げることができました。

しかし、このようなセンサーには欠点もあります。 ジョイスティック軸の最小回転角度はエンコーダースロットの幅に等しく、ジョイスティックの精度の要件は新しいフライトシミュレーターの出現とともに増大しました。たとえば、IL-2 Sturmovikの多くのプレイヤーにとって、この精度は完全に不十分でした。 多くのプレイヤーは、ポテンショメーターのより正確なセンサーを支持して、光学式エンコーダーの永久センサーを放棄しました。

センサーは非接触で耐久性があるだけでなく、正確である必要がありました。



解決策は磁気センサーで見つかりました。 その瞬間から、21世紀のデジタル半導体技術がゲーム機器に登場しました。 自信を持って、磁気技術はゲーム機器用センサーの未来であると言えます。



磁気ホールセンサーに基づく最初の質量デバイスはSaitek X52ジョイスティックでした





ホールセンサーは、磁場強度を測定するように設計されています。 大まかに言えば、センサーは永久磁石までの距離を正確に決定できます。 したがって、ジョイスティックハンドルに磁石を配置し、磁石をセンサーに近づけたり近づけたりすることで、ハンドルがどれだけ移動したかを判断できます。 この場合、距離は高精度で測定され、これはコントローラーの容量によって決まります。 10ビットコントローラーを使用すると、軸ごとに1024カウントの精度でジョイスティックを配置できます。

解決策が見つかったようです-高い位置決め精度で永遠の近接センサーでジョイスティックが得られました。 しかし、最初のユーザーはすでにホールセンサーの不快な機能を発見しました。出力データは非線形に変化し、これにより、ハンドルの中央位置でのジョイスティックハンドルの偏差角が正しく測定されなくなります。



この技術の開発における次の段階は、 3Dホールセンサーの使用でした。 これらのセンサーは、場の強さではなく、磁場の発生源の方向を決定します。 Thrustmaster T.16000ジョイスティックでは、このようなセンサーが初めて使用されました。





新しいセンサーは非接触で完全に線形です。 軸ごとの16,394カウントの精度は、以前にリリースされたすべてのジョイスティックに大きく遅れています。

残念ながら、Thrustmaster T.16000の開発者は1つの重要な点を考慮していません。3Dホールは磁石の動きの精度に非常に敏感です。 なぜなら プラスチックの半球に固定されているため、プラスチックの避けられない摩耗は、磁石が理想的な半球に沿って動き始めず、「ジャンプ」を伴い、位置決め精度の問題につながるという事実につながります。



Logitechは、Logitech Flight System G940ジョイスティックの軸をベアリングに取り付けることにより、この問題を解決しようとしました。









磁石はバックラッシュやジャンプなしで絶対に正しい軌道に沿って移動することが保証されていますが、このモデルに実装された誤ったフィードバックシステムは多くのユーザーを驚かせました（13,000ルーブルの価格は言うまでもありません）。



Saitekは、センサーの精度と耐久性の問題、およびX65Fモデルのジョイスティックの機械部品のリソースを根本的に解決することを決定しました。





このジョイスティックでは、ハンドルは完全に動かないように固定され、プレーヤーの動きはロードセル（圧力を測定するセンサー）の助けを借りてハンドルから取り除かれます。 プレイヤーはハンドルに力を加え、ひずみゲージは圧力を記録し、ゲームに伝えます。 これにより、メカニクスの耐久性の問題（ハンドルは固定されているため摩耗しません）、センサーの耐久性-ロードセルには膨大なリソースがあり、高性能コントローラーが精度を提供します。 しかし、ハンドルを傾けずにプレイすることがどれほど便利かはまだ明らかではありません。 ジョイスティックはまだ販売されておらず、その機能をまだテストする可能性はありません。 おそらく、このジョイスティックは、現代の戦闘航空愛好家の小さなサークルにとってはニッチなデバイスであり続けるでしょう。 第一次世界大戦および第二次世界大戦の航空機の制御には、ハンドルの逸脱が必要です。 しかし、待って見てください。



小計を要約します。

過去20年にわたり、ジョイスティックは原始的なディスクリートスイッチから21世紀の最先端技術を使用したハイテクデバイスに進化しました。 新しいジョイスティックは、角度を測定するために最先端のセンサーを使用しています-磁気により、非常に大きなリソースと最高の位置決め精度を備えたデバイスを作成できます。

今日では、ポテンショメータ、光学式エンコーダ、ホールセンサー、3Dホールなど、あらゆる種類のセンサーを備えたジョイスティックを購入できます。 磁気センサーが安価になり、メーカーが新しいテクノロジーを使用した最初のデバイスのエラーを考慮するとすぐに、十分なポテンショメーターと光学系は過去のものになると断言する自由を取ります。

ゲームホイール

ゲームホイールは、ジョイスティックよりも後に生まれました。 最初は、レースゲームでは、ジョイスティック、またはキーボードさえあれば十分だと思われました。 最初のレースゲームには、高レベルのリアリズムがありませんでした。

しかし、レースゲームはますます複雑になり、車の物理モデルはより複雑になり、多くのプレーヤーは制御装置を実際の車に近づけることを望んでいました。 そのため、レーシングゲーム用の最初の舵とペダルが登場しました。

レーシングゲームの通常のキットは、ステアリングホイール自体、ペダルブロック（2つ、より少ない頻度で3つのペダル）、時にはギアボックスブロックとハンドブレーキで構成されています。

それでは、ステアリングホイールとペダルの偏角を測定するセンサーは何ですか？レーシングゲーム用の最新の大衆向けゲームセットですか？ ジョイスティックほど多くはありません。



最初のタイプは、もちろんポテンショメーターです。 現在市販されているレーシングゲーム用のゲームキットの大部分は、8ビットコントローラーを備えたポテンショメーターで作成されています。 これは当然のことです。メーカーは、角度測定システムをジョイスティックからステアリングホイールに機械的に移動しただけです。

ただし、これらのデバイスは同等のものとはほど遠いもので、ハンドルとジョイスティックの主な違いは回転角です。 ジョイスティックで通常40度以下の場合、舵では最小角度は180度で、250〜270度が標準と見なされます。 そして、運転の完全なシミュレーションについて話す場合、ステアリング角度は900度に達する必要があります！

したがって、ポテンショメータの使用は、ジョイスティックよりもステアリングホイールにさらに多くの問題をもたらしました。

ポテンショメーターの限られたリソースの問題を思い出します。そのようなセンサーを備えた舵とペダルは「時計仕掛けの爆弾」です-それが「爆発」するとき、つまり 抵抗層の破壊により、ハンドルとペダルが正常に機能しなくなったとき。

2番目の問題は、ハンドルが40度偏向したときに8ビットコントローラー（軸あたり256値）を備えたジョイスティックを使用して、ハンドルの角度を40/256 = 0.15度の精度で測定できる場合、ステアリングホイールの同じシステムが250の角度であるということです度は250/256 = 1度の精度を与えます。 正確な制御には不十分です！ ハンドルを0.5度回しても機能しません。

それだけではありません。 ほとんどの低価格のポテンショメータは、180〜200トンの角度で動作します。 ハンドルが250度回転するとどうなりますか？ メーカーは最も簡単な方法を採用しました。ポテンショメータはステアリング軸に直接取り付けられておらず、ギアを介して接続されています。 しかし、以来 このようなギアボックスには、高精度のギア調整が必要であり、安価な製品の大量生産を提供するのはかなり困難です。その結果、ユーザーは中央の位置で追加のバックラッシュを取得します。





このバックラッシュは、ステアリングホイールの中央位置に約5〜8度のデッドゾーンがあり、ステアリングホイールがまったく機能しないという事実につながります。

合計すると、ゲームホイールでのポテンショメーターの使用は、非常に不幸な決定として認識されるべきです。 それらの使用を正当化する唯一のことは、ゲームキットの低価格です。



ゲームホイールで使用される2番目のタイプのセンサーは光学エンコーダーで 、これについても上記で説明しました。

それらは非接触であり（したがって信頼性があり）、回転角度に制限がありません。つまり、250度または900度回転しても問題が発生しません。

これは、ステアリングホイールの理想的なソリューションのようです。 しかし、残念なことに、すべては一見したほど単純ではありません。

最初の問題は、光学式エンコーダーに開始位置がないことです。 彼ができることは、特定の回転角度で値をオン/オフで送信することだけです。 そして、ステアリングホイールの中心位置がどこにあるのかを判断する方法は？ 光学式エンコーダのハンドルは、電源を入れるたびにキャリブレーションが必要です。

システムが中心位置がどこにあるかを知るには、ハンドルを一方向に回してから反対方向に回す必要があり、システムはフォトセルの前を通過したスロットの数を計算し、この値を2で除算します。これが中心になります。

キャリブレーション作業を特別なアクチュエーターに任せることは論理的です。 その結果、ラダーは独自の電気モーターを取得し、オンになるたびにラダーを較正し、ラダーを前後に回転させました。 電気モーターの存在により、アクティブフィードバックシステムの使用も可能になりました。 フォースフィードバック。実際の車のステアリングホイールのようなゲームの状況にハンドルが反応したとき、悪路で運転しているときにプレーヤーの手から抜け出そうとしたとき、アスファルトでのホイールグリップが失われたとき、ハンドルが柔らかく回転し始めます。

光学式エンコーダーの次の問題は、ジョイスティックの40度の回転でも十分ではなかった精度です。 覚えているように、ハンドルを回すことができる最小角度は、スロットの幅によって決まります。 精度を上げるには、次のことができます。

a）スロットỳを狭くし、ディスク自体が大きくなる

b）たとえば、ゲームで10スロット= 1回転の場合、ゲームステアリングホイールの最小回転角度は0.1度になります。これはすでに正確な制御に十分です。



どのメーカーも最初の方法ではありませんでした-大きなディスクはサイズが大きくなり、スロットが狭くなります-これらはフォトセルの問題ですが、そのようなソリューションではスロット付きのディスクをステアリング軸に直接取り付けることができますが、減速機は必要ありません。

全員が2番目の方法を採用しました。幅の広いスロットを備えた小さなディスクを取り付け始めましたが、ステアリング軸に直接ではなく、ギア減速機を介して取り付けました。

ステアリングの精度と耐久性の問題は解決されたようですが、ペダルはどうしますか？ ペダルの本体のスペースは、ステアリングホイールの本体のスペースに比べて非常に小さくなっています。 光学ディスクとギアをペダルに取り付けるのは簡単な作業ではありません。特に、最終製品の価格をめぐる争いを考えるときは簡単です。 正確なギアボックスを備えた安価なペダルは間違いなくそうではありません。 その結果、ほとんどのメーカーは妥協点に落ち着きました-光学系のハンドル、ポテンショメーターのペダル。 その結果、これらの舵のユーザーは、ペダルとポテンショメーターの内部構造を徹底的に調査し、ポテンショメーターを分解してWD-40を潤滑する方法を他のユーザーに説明しました。

現在、市場にはサイテックR660GTのみがあり、光学式エンコーダーがステアリングホイールとペダルに取り付けられています。 しかし、私は正確にそれを支払う必要がありました。 ステアリングホイールには、270度の回転で合計128個のサンプル、ペダル-15度で60個のサンプルがあります。





非常に高価なLogitech G25およびG27までの他のすべてのモデルには、 ポテンショメーターにペダルがあります 。

したがって、一見シンプルな光学センサーを使用すると、ステアリングホイールの設計が複雑になります。電気モーター、複雑なコントローラー、追加の電源とギアボックスが必要で、さらに、ペダルに光学部品を入れることができた人はほとんどいませんでした。



ジョイスティックのように、磁気センサーの分野では、ハンドルとペダルの耐久性と精度の問題に対する解決策が論理的であるように思われます。これらはコンパクトで高精度です。

ただし、ジョイスティックテクノロジーをステアリングホイールに直接転送することは不可能でした。ジョイスティックで使用されるホールセンサーは、ステアリングホイールには適用できません。 非常にありふれた理由で-45度を超える角度を測定することはできません。

ステアリングホイールに光学センサー、ペダルにホールセンサーを使用するのは論理的に思えますが、1つのデバイスで光学技術と磁気技術を融合すると、コントローラーが大幅に複雑になり、電動モーターも制御する必要があるため、それほど単純ではありません。



しかし、各問題には解決策があり、発見されています。 大きな角度を測定できる磁気センサーは長い間作成されており、自動車産業で使用されています。 ただし、HONEYWELLの非接触式回転角センサーHRS100SSAB090は30ドルからであり、ホイールあたり最低3個必要です。

これまでのところ、最近ロシア市場に参入したGametrix社のみがこの問題を解決できました。

Gametrix Viperと呼ばれる最初のモデルでは、ハンドルとペダルの両方にMaRSと呼ばれる非接触磁気センサーが取り付けられています。 これらのセンサーには無限のリソースがあります。 それらには摩擦部品はありません。





センサーは、NXP-Philipsの磁気抵抗器に基づいており、これは自動車業界で長い間使用されてきました。

それらにより、あらゆる角度を最高の精度で測定できます。 たとえば、12ビットGametrix Viperコントローラーを使用すると、0.05度の精度でステアリング角度を測定できます！



ゲームホイールとジョイスティックの未来は磁気技術にあると言っても過言ではないでしょう。

まとめると。

私たちの目の前で進歩が起こっており、テクノロジーはどんどん交換されています。 : – 90- 21 .

, .



, , .

. , .