O sistema básico: design
A ideia básica de um joystick é traduzir o movimento de um bastão de plástico em informações electrónicas que um computador seja capaz de processar. Os joysticks são usados em todos os tipos de máquinas, incluindo retro escavadeiras e cadeiras de rodas.
As diversas tecnologias de joystick diferem principalmente na maneira pela qual a informação é transmitida. O design de joysticks mais simples, usados em muitos consoles de jogos antigos, não passava de um interruptor eléctrico especializado.
Este consiste dum bastão fixado a uma base plástica com um revestimento de borracha flexível. A base aloja uma placa de circuito, que se assenta directamente abaixo do bastão. A placa de circuito é constituída de vários "fios impressos", que se conectam a diversos terminais de contacto. Fios comuns se prolongam a partir desses pontos de contacto para o computador.
Os fios impressos formam um circuito eléctrico simples constituído de diversos circuitos menores. Esses circuitos apenas transmitem electricidade de um ponto de contacto a outro. Quando o joystick está na posição neutra (quando você não o está empurrando em nenhuma direcção), todos os circuitos individuais estão interrompidos, excepto um. O material condutor em cada fio não está conectado; assim, o circuito não pode conduzir electricidade.
Cada secção interrompida é coberta com um botão plástico simples que contém um minúsculo disco metálico. Quando você move o bastão em qualquer direcção, ele acciona um desses botões, pressionando o disco metálico condutor contra a placa de circuito. Isso fecha o circuito: ele completa a conexão entre as duas secções do fio. Quando o circuito é fechado, a electricidade pode fluir pelo fio desde o computador (consola de jogos), através do fio impresso, para um outro fio que retorna ao computador.
O sistema básico: comunicação
Quando o computador capta uma carga em um fio particular, ele sabe que o joystick está na posição correcta para completar aquele circuito particular. Empurrar o bastão para a frente fecha o "interruptor para frente", ao passo que empurrá-lo para a esquerda fecha o "interruptor esquerdo", e assim por diante. Em alguns projectos, o computador reconhece uma posição diagonal quando o bastão fecha dois interruptores (por exemplo, fechar o interruptor para frente e o interruptor esquerdo simultaneamente significaria uma posição diagonal para frente/para esquerda). Os botões de disparo funcionam exactamente do mesmo modo: quando você os pressiona, eles completam um circuito e o computador reconhece um comando de disparo.
Esse projecto comunica o movimento do joystick em um tipo de taquigrafia: ele processa o movimento como valores absolutos, em vez de gradações subtis. Em outras palavras, ele não pode distinguir entre pressionar o bastão só um pouquinho para a frente e empurrá-lo até o fim: há somente um valor para a frente.
Analógico convencional: design
A fim de comunicar uma gama completa de movimentos para o computador, um joystick precisa medir a posição do bastão nos dois eixos: o eixo X (esquerda ou direita) e o eixo Y (para cima e para baixo). Assim como na geometria básica, as coordenadas X-Y determinam exactamente a posição do bastão.
No design de joystick padrão, o bastão move uma haste estreita que se apoia em dois eixos que podem girar. Inclinar o bastão para a frente e para trás faz o eixo Y girar sobre si mesmo, de um lado para outro. Incliná-lo para a esquerda ou direita faz o eixo X girar sobre si mesmo. Quando você move o bastão na diagonal, ambos os eixos giram sobre si mesmos. Várias molas centralizam o bastão quando ele é solto.
Para determinar a localização do bastão, o sistema de controle do joystick simplesmente monitora a posição de cada eixo. O design de joystick analógico convencional faz isso com dois potenciômetros, ou resistores variáveis.
Analógico convencional: potenciômetros
Cada potenciômetro consiste de um resistor, na forma de uma trilha curva e de um braço de contacto móvel. A alimentação eléctrica do computador conduz electricidade ao terminal de entrada, através do resistor curvo e do braço de contacto, e de volta à porta do joystick no computador.
Ao mover o braço de contacto ao longo da trilha, você pode aumentar ou diminuir a resistência que actua sobre a corrente que flúi através desse circuito. Se o braço de contacto estiver na extremidade oposta da trilha em relação ao terminal da conexão de entrada, a electricidade terá de fluir através de um comprimento maior do resistor e enfrentará máxima resistência. Se o braço de contacto estiver próximo do terminal de entrada, o potenciômetro terá resistência mínima.
Cada potenciômetro está conectado a um dos eixos do joystick, de modo que girar o eixo faz girar o braço de contacto. Em outras palavras, se você empurrar o bastão ou o manche totalmente para a frente, ele irá girar o braço de contacto do potenciômetro para uma extremidade da trilha; se você puxá-lo em sua direcção, ele irá girar o braço de contacto na direcção oposta.
Variar a resistência do potenciômetro altera a corrente eléctrica no circuito conectado. Desse modo, o potenciômetro traduz a posição física do bastão em um sinal eléctrico que passa pela porta do joystick rumo ao computador.
Esse sinal eléctrico é totalmente analógico: é uma onda de informação variável, como um sinal de rádio. Para fazer que a informação seja útil, o computador precisa traduzi-la em um sinal digital, um valor estritamente numérico.
Analógico convencional: rumo ao digital
No sistema convencional, um cartão (uma placa de circuito impresso) no interior do computador manipula os dados com um conversor analógico para digital bastante tosco. A ideia básica é usar a voltagem variável proveniente de cada potenciômetro para carregar um capacitor – um dispositivo eléctrico simples que armazena electricidade. Se o potenciômetro for ajustado para oferecer mais resistência, o capacitor irá demorar mais para carregar. Caso ele ofereça menos resistência, o capacitor será carregado mais rapidamente.
Ao descarregar o capacitor e então cronometrar quanto tempo ele leva para ser recarregado, o conversor pode determinar a posição do potenciômetro e, portanto, do joystick. A taxa de recarga é uma medida numérica que o computador pode reconhecer. Ele efectua essa operação sempre que necessita obter uma leitura de um joystick.
Você pode aplicar esse sistema potencialmente a uma variedade infinita de controlos, conectando um potenciômetro a componentes rotativos diferentes. Por exemplo, os controladores de volante de direcção convencionais funcionam exactamente da mesma maneira, com o volante girando directamente o braço de contacto do potenciômetro. Alguns joysticks usam um potenciômetro adicional para um eixo Z, activado pela rotação do próprio manche.
Alguns joysticks também possuem um "top hat" (cartola): um controlador em miniatura, activado pelo polegar, na parte superior do manche. Esse pequeno joystick usa o mesmo sistema de interruptores que o joystick simples.
O sistema analógico convencional funciona bem, no geral, mas tem limitações.
O problema com o analógico
Há alguns grandes problemas com o sistema de joystick analógico convencional. Primeiro, o precário processo de conversão analógico para digital não é muito exacto, já que o sistema não possui um verdadeiro conversor desse tipo. Isso compromete um pouco a sensibilidade do joystick.
Segundo, o computador hospedeiro precisa dedicar bastante capacidade de processamento para "apurar" regularmente o sistema do joystick e determinar sua posição. Isso retira muita potência de outras operações.
Novas adições
Os fabricantes de joysticks solucionaram esses problemas de variadas maneiras. Uma solução é adicionar um chip conversor analógico para digital sensível em uma placa adaptadora de jogos especializada ou no próprio joystick. Nesse sistema, o conversor despeja a informação digital directamente no computador, o que melhora a exactidão do e reduz a carga de trabalho do processador hospedeiro. Esses novos modelos de joystick podem se conectar geralmente às portas USB, o que também melhora a velocidade e a confiabilidade.
Outra solução é eliminar totalmente a tecnologia do potenciômetro analógico. Diversos controladores mais recentes usam sensores ópticos para ler digitalmente o movimento do manche.
Nesse sistema, os dois eixos são conectados a duas rodas com ranhuras. Cada roda é posicionada entre dois diodos emissores de luz (LEDs) e duas fotocélulas (o gráfico mostra apenas um par de fotocélulas e LED para simplificar). Quando uma luz proveniente de cada LED brilha através de uma das ranhuras, ela faz que a fotocélula no lado oposto gere uma pequena quantidade de corrente. Quando a roda gira levemente, bloqueia a luz e a fotocélula não gera corrente.
Quando o eixo gira sobre si mesmo, fazendo a roda girar, as ranhuras se movendo repetidamente interrompem o feixe de luz que brilha sobre a fotocélula. Isso faz que a fotocélula gere rápidos pulsos de corrente. Com base no número de pulsos que as fotocélulas geraram, o processador sabe a distância percorrida pelo manche. Ao comparar os padrões provenientes de ambas as fotocélulas que monitoram uma roda, o processador pode descobrir de que modo o manche está se movendo.
Realimentação de força
A ideia básica de um joystick com realimentação de força, também chamado de joystick de realimentação háptico (do grego "haptesthai", táctil), é mover o bastão ou manche em conjunto com a acção na tela. Por exemplo, se você estiver atirando com uma metralhadora em um jogo de acção, o bastão irá vibrar em suas mãos. Se você espatifar seu avião em um simulador de voo, o manche será empurrado para trás repentinamente.
Os joysticks com realimentação de força possuem a maioria dos mesmos componentes que os joysticks comuns, com algumas poucas adições importantes: um microprocessador onboard, um par de motores eléctricos e até um trem de engrenagens ou sistema de correias.
O eixo X e o eixo Y, conectados ao manche, se acoplam ambos a uma polia. A outra extremidade da correia para cada eixo se acopla a um eixo de motor eléctrico. Nessa configuração, o giro do eixo do motor irá mover a correia para movimentar a seta, e a seta irá mover a correia para girar o eixo do motor. A função da correia é transmitir e amplificar a força do motor para o eixo.
Ambos, o sinal eléctrico do processador onboard e o movimento físico do joystick, irão girar o eixo do motor. Desse modo, você ainda pode mover o joystick mesmo quando o motor o está movendo.
Na extremidade oposta do motor, o eixo está conectado aos sensores de posição do joystick (seus potenciômetros ou sensores ópticos, por exemplo). Sempre que o manche se move, seja por causa do motor ou do jogador, os sensores detectam sua posição.
O joystick possui um chip de memória ROM embutido, que armazena diversas sequências de movimentos do motor. Por exemplo, ele poderá ter uma sequência de metralhadora que instrui os motores a mudarem de direcção rapidamente, ou uma sequência de bazuca que instrui o motor a desviar o joystick repentinamente para trás e então novamente para a frente. O software do jogo solicita uma sequência particular e o computador transmite a solicitação para o processador onboard do joystick, que utiliza os dados apropriados armazenados em sua própria memória. Isso reduz a carga de trabalho sobre o computador e possibilita tempos de reacção mais rápidos.
A ideia básica de um joystick é traduzir o movimento de um bastão de plástico em informações electrónicas que um computador seja capaz de processar. Os joysticks são usados em todos os tipos de máquinas, incluindo retro escavadeiras e cadeiras de rodas.
As diversas tecnologias de joystick diferem principalmente na maneira pela qual a informação é transmitida. O design de joysticks mais simples, usados em muitos consoles de jogos antigos, não passava de um interruptor eléctrico especializado.
Este consiste dum bastão fixado a uma base plástica com um revestimento de borracha flexível. A base aloja uma placa de circuito, que se assenta directamente abaixo do bastão. A placa de circuito é constituída de vários "fios impressos", que se conectam a diversos terminais de contacto. Fios comuns se prolongam a partir desses pontos de contacto para o computador.
Os fios impressos formam um circuito eléctrico simples constituído de diversos circuitos menores. Esses circuitos apenas transmitem electricidade de um ponto de contacto a outro. Quando o joystick está na posição neutra (quando você não o está empurrando em nenhuma direcção), todos os circuitos individuais estão interrompidos, excepto um. O material condutor em cada fio não está conectado; assim, o circuito não pode conduzir electricidade.
Cada secção interrompida é coberta com um botão plástico simples que contém um minúsculo disco metálico. Quando você move o bastão em qualquer direcção, ele acciona um desses botões, pressionando o disco metálico condutor contra a placa de circuito. Isso fecha o circuito: ele completa a conexão entre as duas secções do fio. Quando o circuito é fechado, a electricidade pode fluir pelo fio desde o computador (consola de jogos), através do fio impresso, para um outro fio que retorna ao computador.
O sistema básico: comunicação
Quando o computador capta uma carga em um fio particular, ele sabe que o joystick está na posição correcta para completar aquele circuito particular. Empurrar o bastão para a frente fecha o "interruptor para frente", ao passo que empurrá-lo para a esquerda fecha o "interruptor esquerdo", e assim por diante. Em alguns projectos, o computador reconhece uma posição diagonal quando o bastão fecha dois interruptores (por exemplo, fechar o interruptor para frente e o interruptor esquerdo simultaneamente significaria uma posição diagonal para frente/para esquerda). Os botões de disparo funcionam exactamente do mesmo modo: quando você os pressiona, eles completam um circuito e o computador reconhece um comando de disparo.
Esse projecto comunica o movimento do joystick em um tipo de taquigrafia: ele processa o movimento como valores absolutos, em vez de gradações subtis. Em outras palavras, ele não pode distinguir entre pressionar o bastão só um pouquinho para a frente e empurrá-lo até o fim: há somente um valor para a frente.
Analógico convencional: design
A fim de comunicar uma gama completa de movimentos para o computador, um joystick precisa medir a posição do bastão nos dois eixos: o eixo X (esquerda ou direita) e o eixo Y (para cima e para baixo). Assim como na geometria básica, as coordenadas X-Y determinam exactamente a posição do bastão.
No design de joystick padrão, o bastão move uma haste estreita que se apoia em dois eixos que podem girar. Inclinar o bastão para a frente e para trás faz o eixo Y girar sobre si mesmo, de um lado para outro. Incliná-lo para a esquerda ou direita faz o eixo X girar sobre si mesmo. Quando você move o bastão na diagonal, ambos os eixos giram sobre si mesmos. Várias molas centralizam o bastão quando ele é solto.
Para determinar a localização do bastão, o sistema de controle do joystick simplesmente monitora a posição de cada eixo. O design de joystick analógico convencional faz isso com dois potenciômetros, ou resistores variáveis.
Analógico convencional: potenciômetros
Cada potenciômetro consiste de um resistor, na forma de uma trilha curva e de um braço de contacto móvel. A alimentação eléctrica do computador conduz electricidade ao terminal de entrada, através do resistor curvo e do braço de contacto, e de volta à porta do joystick no computador.
Ao mover o braço de contacto ao longo da trilha, você pode aumentar ou diminuir a resistência que actua sobre a corrente que flúi através desse circuito. Se o braço de contacto estiver na extremidade oposta da trilha em relação ao terminal da conexão de entrada, a electricidade terá de fluir através de um comprimento maior do resistor e enfrentará máxima resistência. Se o braço de contacto estiver próximo do terminal de entrada, o potenciômetro terá resistência mínima.
Cada potenciômetro está conectado a um dos eixos do joystick, de modo que girar o eixo faz girar o braço de contacto. Em outras palavras, se você empurrar o bastão ou o manche totalmente para a frente, ele irá girar o braço de contacto do potenciômetro para uma extremidade da trilha; se você puxá-lo em sua direcção, ele irá girar o braço de contacto na direcção oposta.
Variar a resistência do potenciômetro altera a corrente eléctrica no circuito conectado. Desse modo, o potenciômetro traduz a posição física do bastão em um sinal eléctrico que passa pela porta do joystick rumo ao computador.
Esse sinal eléctrico é totalmente analógico: é uma onda de informação variável, como um sinal de rádio. Para fazer que a informação seja útil, o computador precisa traduzi-la em um sinal digital, um valor estritamente numérico.
Analógico convencional: rumo ao digital
No sistema convencional, um cartão (uma placa de circuito impresso) no interior do computador manipula os dados com um conversor analógico para digital bastante tosco. A ideia básica é usar a voltagem variável proveniente de cada potenciômetro para carregar um capacitor – um dispositivo eléctrico simples que armazena electricidade. Se o potenciômetro for ajustado para oferecer mais resistência, o capacitor irá demorar mais para carregar. Caso ele ofereça menos resistência, o capacitor será carregado mais rapidamente.
Ao descarregar o capacitor e então cronometrar quanto tempo ele leva para ser recarregado, o conversor pode determinar a posição do potenciômetro e, portanto, do joystick. A taxa de recarga é uma medida numérica que o computador pode reconhecer. Ele efectua essa operação sempre que necessita obter uma leitura de um joystick.
Você pode aplicar esse sistema potencialmente a uma variedade infinita de controlos, conectando um potenciômetro a componentes rotativos diferentes. Por exemplo, os controladores de volante de direcção convencionais funcionam exactamente da mesma maneira, com o volante girando directamente o braço de contacto do potenciômetro. Alguns joysticks usam um potenciômetro adicional para um eixo Z, activado pela rotação do próprio manche.
Alguns joysticks também possuem um "top hat" (cartola): um controlador em miniatura, activado pelo polegar, na parte superior do manche. Esse pequeno joystick usa o mesmo sistema de interruptores que o joystick simples.
O sistema analógico convencional funciona bem, no geral, mas tem limitações.
O problema com o analógico
Há alguns grandes problemas com o sistema de joystick analógico convencional. Primeiro, o precário processo de conversão analógico para digital não é muito exacto, já que o sistema não possui um verdadeiro conversor desse tipo. Isso compromete um pouco a sensibilidade do joystick.
Segundo, o computador hospedeiro precisa dedicar bastante capacidade de processamento para "apurar" regularmente o sistema do joystick e determinar sua posição. Isso retira muita potência de outras operações.
Novas adições
Os fabricantes de joysticks solucionaram esses problemas de variadas maneiras. Uma solução é adicionar um chip conversor analógico para digital sensível em uma placa adaptadora de jogos especializada ou no próprio joystick. Nesse sistema, o conversor despeja a informação digital directamente no computador, o que melhora a exactidão do e reduz a carga de trabalho do processador hospedeiro. Esses novos modelos de joystick podem se conectar geralmente às portas USB, o que também melhora a velocidade e a confiabilidade.
Outra solução é eliminar totalmente a tecnologia do potenciômetro analógico. Diversos controladores mais recentes usam sensores ópticos para ler digitalmente o movimento do manche.
Nesse sistema, os dois eixos são conectados a duas rodas com ranhuras. Cada roda é posicionada entre dois diodos emissores de luz (LEDs) e duas fotocélulas (o gráfico mostra apenas um par de fotocélulas e LED para simplificar). Quando uma luz proveniente de cada LED brilha através de uma das ranhuras, ela faz que a fotocélula no lado oposto gere uma pequena quantidade de corrente. Quando a roda gira levemente, bloqueia a luz e a fotocélula não gera corrente.
Quando o eixo gira sobre si mesmo, fazendo a roda girar, as ranhuras se movendo repetidamente interrompem o feixe de luz que brilha sobre a fotocélula. Isso faz que a fotocélula gere rápidos pulsos de corrente. Com base no número de pulsos que as fotocélulas geraram, o processador sabe a distância percorrida pelo manche. Ao comparar os padrões provenientes de ambas as fotocélulas que monitoram uma roda, o processador pode descobrir de que modo o manche está se movendo.
Realimentação de força
A ideia básica de um joystick com realimentação de força, também chamado de joystick de realimentação háptico (do grego "haptesthai", táctil), é mover o bastão ou manche em conjunto com a acção na tela. Por exemplo, se você estiver atirando com uma metralhadora em um jogo de acção, o bastão irá vibrar em suas mãos. Se você espatifar seu avião em um simulador de voo, o manche será empurrado para trás repentinamente.
Os joysticks com realimentação de força possuem a maioria dos mesmos componentes que os joysticks comuns, com algumas poucas adições importantes: um microprocessador onboard, um par de motores eléctricos e até um trem de engrenagens ou sistema de correias.
O eixo X e o eixo Y, conectados ao manche, se acoplam ambos a uma polia. A outra extremidade da correia para cada eixo se acopla a um eixo de motor eléctrico. Nessa configuração, o giro do eixo do motor irá mover a correia para movimentar a seta, e a seta irá mover a correia para girar o eixo do motor. A função da correia é transmitir e amplificar a força do motor para o eixo.
Ambos, o sinal eléctrico do processador onboard e o movimento físico do joystick, irão girar o eixo do motor. Desse modo, você ainda pode mover o joystick mesmo quando o motor o está movendo.
Na extremidade oposta do motor, o eixo está conectado aos sensores de posição do joystick (seus potenciômetros ou sensores ópticos, por exemplo). Sempre que o manche se move, seja por causa do motor ou do jogador, os sensores detectam sua posição.
O joystick possui um chip de memória ROM embutido, que armazena diversas sequências de movimentos do motor. Por exemplo, ele poderá ter uma sequência de metralhadora que instrui os motores a mudarem de direcção rapidamente, ou uma sequência de bazuca que instrui o motor a desviar o joystick repentinamente para trás e então novamente para a frente. O software do jogo solicita uma sequência particular e o computador transmite a solicitação para o processador onboard do joystick, que utiliza os dados apropriados armazenados em sua própria memória. Isso reduz a carga de trabalho sobre o computador e possibilita tempos de reacção mais rápidos.
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