Prezentare generală
Joystick-urile au devenit rapid o caracteristică consacrată a instrumentelor de control în multe aplicații industriale și medicale, pentru trenuri, nave, mașini agricole și utilaje de construcții, dar și pentru simulatoare, cum ar fi simulatoarele de zbor. În industria divertismentului, acestea sunt utilizate pentru jocuri pe consolă și PC, precum și pentru comanda onor modele de avioane, mașini și nave cu control radio. În prezent, joystick-urile sunt parte integrantă a aplicațiilor industriale, a produselor de consum și a dezvoltării automobilelor.
Proiectarea inițială a unui joystick s-a bazat pe contacte comutatoare, fiind considerat un joystick digital. Cel mai simplu model avea patru contacte și oferea 4 biți de informații care declarau stările “pornit” și “oprit”, ceea ce făcea posibilă și înregistrarea mișcărilor diagonale.
Joystick-urile analogice indică direcția și măsoară unghiul de mișcare față de axe, utilizând potențiometre sau senzori optici sau magnetici. Senzorii sunt fără contact și, prin urmare, nu sunt supuși uzurii.
Un joystick optic are două discuri de codificare, fiecare fiind atașat la o articulație axială. Fiecare disc este format dintr-o placă cu fante dispuse circular, o diodă emisivă (LED) pe o parte și o fotocelulă pe cealaltă parte a discului. Acestea sunt fie discrete, fie montate într-o piesă care asigură o barieră împotriva luminii din exterior. Atunci când lumina emisă de diodă trece prin fantă, fotocelula o transformă într-un curent. Dacă nu există nicio fantă, la ieșirea fotocelulei nu va fi prezent niciun curent. Un algoritm din microcontroler utilizează numărul de impulsuri de curent pentru a calcula poziția.
Figura 1: Construcția senzorului dual cu efect Hall (© TDK-Micronas)
Într-un joystick potențiometric există un potențiometru pe fiecare dintre cele două articulații axiale rotative, unul pentru axa x și unul pentru axa y. Acestea produc schimbări de rezistență, atunci când maneta joystick-ului este mișcată și unghiul articulațiilor rotative se schimbă. Un microcontroler transmite, apoi, valorile rezistențelor corespunzătoare deplasării.
Articulații rotative (construcție cu senzor dual cu efect Hall)
Joystick-urile inițiale cu contacte mecanice, care utilizează potențiometre prezintă un dezavantaj și anume că frecarea între cursor și rezistență determină degradarea performanțelor de detectare și control ale potențiometrului. Acest dezavantaj este depășit prin înlocuirea potențiometrelor cu magneți și senzori cu efect Hall fără contact (figura 1). Acest lucru sporește, de asemenea, precizia și fiabilitatea și îmbunătățește experiența de control.
Figura 2: Construcția joystick-ului cu articulație cardanică (Gimbal). (© TDK-Micronas)
Construcția cu senzor dual cu efect Hall este foarte practică − ca și în cazul unui potențiometru, mișcarea mânerului joystick-ului este citită ca o rotație a magneților poziționați la capătul arborelui, iar mișcarea este convertită în semnal de către senzorul cu efect Hall. Modelele existente de joystick-uri mecanice complexe necesită doar ajustări minime − dacă este cazul.
Cu toate acestea, există o problemă cu această construcție, deoarece relația dintre ieșirea senzorului cu efect Hall și mișcarea reală a joystick-ului prezintă proprietăți neliniare, care trebuie convertite în valori liniare folosind valori de referință.
Joystick cu articulație cardanică − Gimbal
Figura 2 ilustrează o altă construcție, de tip Gimbal. În cazul unui astfel de joystick cu articulație cardanică, sub mâner se află un magnet permanent rotative, care este îndreptat spre senzorul cu efect Hall. Contactul dintre magnetul permanent și senzorul unic cu efect Hall permite ca mișcarea joystick-ului să fie poziționată în domeniul de detecție 2D. Atât timp cât joystick-ul se mișcă în limitele, de aproximativ ±30°, semnalul de ieșire oferă o bună liniaritate.
Figura 3: Construcția joystick-ului cu articulație universală. (© TDK-Micronas)
Provocarea unei astfel de construcții este gestionarea sistemului mecanic. Pe măsură ce sistemul mecanic îmbătrânește prin uzură, senzorul − punctul central la care se raportează rotația − se deplasează fără a fi observat, iar acest lucru nu poate fi compensat prin mijloace statice.
Joystick cu articulație universală
O montură cu articulație universală este o alternativă bună pentru a rezolva problema scăderii preciziei cauzată de fricțiunea în structură (figura 3). Mecanismul este mai robust împotriva frecări, simplifică procesul de fabricație și reduce costurile de producție. De asemenea, acesta beneficiază de o liniarizare ușoară și de o construcție mecanică simplă. Îmbunătățirea esențială a acestui model constă în faptul că mânerul joystick-ului se rotește în jurul unei articulații Cardan și indică întotdeauna centrul acestei articulații.
Kituri − Utilizarea abordării “Surprise Egg“
Pentru a evalua diferitele opțiuni de construcție, sunt necesare o platformă mecanică și versatilă de joystick și un senzor cu efect Hall flexibil. Mulți furnizori oferă kituri de joystick în ideea de a le da potențialilor cumpărători un senzor pe care îl pot utiliza pentru a-l testa în aplicația lor, furnizând date pentru simulări.
Figura 4: “Platforma de evaluare a joystick-ului” funcționează ca o jucărie de tip ‘ouă surpriză’. (© TDK-Micronas)
“Platforma de evaluare a joystick-urilor” de la TDK-Micronas (figura 4) amintește foarte mult de abordarea “oului surpriză”, doar că nu conține ciocolată. Diferitele componente pot fi asamblate − la fel ca o jucărie într-un ou surpriză − pentru a permite oricare dintre cele trei geometrii mecanice ale joystick-ului.
Pe lângă senzorii TDK-Micronas HAL 3900, kitul conține, de asemenea, PCB-uri, mecanisme printate 3D, magneți, accesorii și instrucțiuni detaliate. PCB-urile suplimentare pentru senzori permit integrarea directă a senzorilor într-o aplicație.
Senzorul HAL 3900 permite nu numai detectarea precisă a câmpurilor magnetice 3D, ci și măsurarea sincronă a celor trei componente ale câmpului magnetic Bx, By și Bz într-un singur punct. Astfel, senzorul detectează direcția câmpului magnetic cu foarte mare acuratețe. Acest concept unic permite, de asemenea, montarea a șase plăci z-Hall și a două celule de pixeli Hall, pentru a asigura compensarea unui câmp magnetic 2D nedorit, accidental. Acest lucru permite ca senzorul să fie potrivit pentru o varietate de sarcini de măsurare și pentru orice geometrie senzor/magnet, care anterior necesitau senzori diferiți. Deoarece matricea de senzori HAL 3900 este extrem de flexibilă, inginerii proiectanți pot selecta pur și simplu cel mai bun mod de funcționare pentru orice sarcină de măsurare dată. În funcție de modul de măsurare selectat, este posibil, de exemplu, să se obțină la ieșire valori ajustate în funcție de temperatură pentru Bx, By și Bz sau până la două unghiuri calculate.
Figura 5: Soluția multifuncțională − familia HAL39xy este potrivită pentru o mare varietate de sarcini de măsurare. (© TDK-Micronas)
Pentru a reduce erorile de neliniaritate din întregul sistem sau chiar pentru a genera un comportament aleatoriu la ieșire, senzorul oferă “valori de referință fixe” de până la 33° cu un singur canal activat sau valori de referință fixe de până la 17° per canal, dacă sunt activate două canale. În cazul în care sunt necesare valori de referință variabile, există până la 18 intervale de valori de referință atunci când se utilizează un canal sau până la opt intervale per canal, atunci când se utilizează două canale.
Fiind un dispozitiv SEooC (Safety Element Out of Context − Element de siguranță în afara contextului) conform ISO 26262, HAL 3900 este calificat pentru aplicații critice legate de siguranță (ASIL). Compensarea câmpului magnetic accidental (în conformitate cu ISO 11452-8) este deja integrată în unele moduri de măsurare și se realizează automat. O interfață SPI gestionează comunicarea cu senzorul.
Senzorul digital HAL 39xy nu necesită procesare externă a semnalului sau algoritmi de compensare complicați. Modurile de măsurare cu trei sau șase plăci z-Hall și construcția cu articulație rotativă pot fi utilizate pentru a crea un joystick cu compensare de câmp magnetic accidental.
Datele senzorului kitului joystick pot fi citite folosind o platformă Arduino sau programatorul TDK-Micronas SPI. Utilizând software-ul descărcabil “Joystick Evaluation Platform” (figura 6), utilizatorii au la dispoziție un instrument care le permite să importe regiștri RAM cheie din căile de semnal ale senzorului, să vizualizeze măsurătorile pentru anumite joystick-uri și să exporte datele unui joystick în vederea unei analize ulterioare sub forma unui fișier .csv.
Figura 6: Utilizatorii pot utiliza software-ul “Joystick Evaluation Platform” pentru a citi valorile esențiale. (© TDK-Micronas)
Pentru a obține cele mai bune performanțe posibile ale joystick-ului, mediul de programare LabView al HAL 3900 combinat cu programatorul TDK-Micronas SPI permite calibrarea senzorului și ajustarea modurilor de măsurare necesare.
Pentru platformele Arduino, TDK-Micronas oferă cod sursă descărcabil pentru citirea regiștrilor HAL 3900 necesari. Platforma de proiectare dezvoltată de Rutronik, bazată pe STM32L05 cu conectori compatibili Arduino, este ideală pentru evaluarea noilor produse.
Autori:
Thomas Kepcija, Product Sales Manager Sensors la Rutronik
Philipp Herbst, Head of Application Support & Tools la TDK-Micronas
Rutronik | https://www.rutronik.com