Все, что вы хотели знать, но боялись спрость ) Доступным языком, подробно и наглядно. Трафик.

На самом деле, в начале должно быть небольшое введение про разновидности игр, в которых может понадобиться указанные выше манипуляторы. Я не являюсь матерым игроком (не знаю, к счастью или к сожалению… просто нет на это времени, хотя поиграть иногда хочется), но думаю, не ошибусь, если назову две разновидности гонок – аркады и симуляторы.
Первые – поэффектней, но попроще в плане управления. Разработчики не прикладывают огромных усилий для создания реалистичной физической модели поведения игрового автомобиля, а просто дают возможность вдоволь погонять. Ввиду своей зрелищности и геймплея, как правило, такие игры пользуются большим спросом у многих категорий игроков. Типичный пример — серия NFS, Race Driver: Grid.

Симуляторы – дело посерьезней, потому и менее распространенное. Главный козырь в таких играх – реалистичное управление и множество настроек, которые действительно так или иначе влияют на игровой процесс. Примеры — NFS Shift, Colin McRae Rally, Live For Speed, GTR и GTR2, rFactor.
Даже если моя классификация не верна, сути это особо не меняет – очевидно, что руль в гонках позволяет добиться большего погружения в игру, нежели пара кнопок на клавиатуре.

Как известно, основная задача руля – точно измерять угол отклонения оси от «начала координат», после чего передавать эти значения в игру. Т.е. если физически баранка была повернута на 15 градусов, это же значение (ни больше, ни меньше!) должно передаться в игру, чтобы авто повернул в нужную сторону. 

То же и с педалями – чем больше тапка в пол, тем быстрей взлетим ;) Но вот тут-то и начинается самое интересное... 

Думаю, ни для кого не секрет, что каждый производитель игровой периферии старается выдумать что-то свое – тогда есть вероятность, что товар купят. Поэтому, на данный момент, существует несколько технологий, которые применяются в подобных устройства. Если быть точным, решения проблемы три (если кто-то еще что-то знает на этот счет – добавляйте!) – механическое, оптическое и магнитное. Давайте разберемся, что к чему и где какие подводные камни.

Переменный резистор (потенциометр)
Самое простое и дешевое решение – вы могли многократно видеть его в огромном количестве устройств, даже в бородатые года. 

Принцип действия прост — на оси руля (под корпусом, мы этого не видим) крепится небольшая шестеренка, которая своими зубцами соединена с другой шестеренкой, установленной на оси потенциометра. Поворачивая руль, механизм приходит в действие – контакты потенциометра передают значения угла поворота руля к контроллеру, а тот – в игру. Бывает и такое, что оси педалей связаны с потенциометрами напрямую, но это не делает погоды – эти «часы» устроены таким образом, что в любом случае будут люфты.

Они в свою очередь являются причиной «мертвых зон» руля, когда игра не видит незначительных поворотов руля. А механический износ деталей этому только поспособствует.

Но не люфтами едиными сыт обладатель подобного устройства. Основной проблемой является разрушение движков и стирание резистивной дорожки потенциометра. Один движок скользит по ротору, второй – по резистивной дорожке. Ничто не вечно — все эти элементы стираются. Для более наглядного представления, внизу приведен рисунок.

В итоге через некоторое время потенциометр начинает давать не правильные данные (те, кто застал советские телевизоры и радиоприемники, на которых громкость регулировалась как раз потенциометрами, должны помнить, как при вращении регулятора звук начинал «хрипеть» – именно так и проявляется внутреннее разрушение потенциометра). Именно поэтому потенциометр не может проработать очень долго — против законов природы не попрешь… и все, что трется, рано или поздно выйдет из строя. И чем энергичнее трешь – тем быстрее это случится.

Результат — дорогое устройство через непродолжительное время станет всего лишь «визуальным» дополнением к игре, но никак не средством для получения удовольствия ;)

Плюсы
— Простота и дешевизна изготовления.
Минусы
— Недолговечность к механическому износу;
— «Мертвые зоны» руля и педалей.

Оптический датчик (энкодер)
Другим, более надежным вариантом решения проблемы, является использование оптического датчика.
Принцип действия так же может быть многим знаком еще из школьного курса физики. На специальной подставке закреплен вращающийся диск с прорезями, показания поворота с которого считывает закрепленный фотоэлемент. Благодаря тому, что нет механического контакта между «колесом» и фотоэлементом, механический износ сведен к минимуму. НО… из-за того, что этот диск не имеет «центра» (начала отсчета), его приходится калибровать при каждом включении.

Именно поэтому, некоторые рули, при включении компьютера или его перезагрузке, встроенным приводом сперва поворачивают руль до конца в одну сторону, потом в другую. Деля полученное значения пополам, устройство узнает, от какого положения диска с прорезями надо производить отчеты.

Несмотря на то, что дешевизна самого датчика имеет место быть, рули на оптике стоят значительно больше рулей на потенциометрах. Именно из-за необходимости калибровки разработчик руля на оптике и попадает в засаду. Датчик-то дешевый, но как при включении узнать, в центральном ли положении находится баранка? Повсеместно применяемое решение – поставить электромотор, который будет крутить баранку, чтобы найти центр. Но чтобы электромотор мог крутить баранку, надо ставить редуктор, который переведет скоростное вращение вала мотора в плавное движение баранки. В итоге дешевый датчик влечет за собой дорогую механику – электромотор и редуктор.

Мертвых зон, как правило, нет, но они могут возникнут по мере износа шестерен редуктора, которые с помощью мощной обратной связи (Force Feedback) могут убиться еще быстрее.
Далее по списку – достаточно большие размеры датчика и редуктора, благодаря чему оптику вставляют только в рули. Поэтому все рули, работающие на оптических датчиках, комплектуются педалями на… переменных резисторах, о которых говорилось выше )

Результат – похожая песня, но за бОльшие тысячи. «Подсластить» эмоции от дополнительных затрат может Force Feedback (силовая обратная связь), которую реализуют за счет упомянутого выше двигателя. Не простаивать же ему просто так ) Но проблемы с педалями-то это не решает!...

Плюсы
— Бесконтактный, нет трения;
— Дешевизна самого энкодера;

Минусы
— Требуется принудительная калибровка;
— Большие габариты редуктора, сложно установить в педали;
— Дороговизна изготовления редуктора и электропривода для калибровки.

Сейчас самое время сделать небольшое лирическое отступление, ведь постепенно мы подкрались к самому интересному ;) Если рассмотреть более глобальную сферу деятельности, хотя бы такую, как автомобилестроение, то можно обратить внимание на то, что все ведущие компании в большинстве случаев давно отказались от переменных резисторов и оптических датчиков в своих автомобилях. Повсеместно используется магнитные датчики, крупнейшим поставщиком которых является небезызвестная компания Philips, точнее ее дочерняя компания Philips NXP Semiconductors.
Такие датчики могут применяться где угодно – в отклоняющихся спинках автокресел, напичканных электроникой; в педалях и в руле, в дворниках, в элементах двигателя… да много где! 

Вряд ли производители выбирали бы ненадежные решения… так почему бы не применить эту технологию в геймерских продуктах? Ведь в таком случае руль будет как в хороших иномарках ;)

Магнитный датчик

Принцип работы в следующем – берется диаметрально намагниченный магнит, который надежно устанавливается в подвижной части корпуса, в нашем случае это сама баранка. 

В неподвижном корпусе крепят непосредственно сам датчик, который обрабатывает значения углов поворота магнита. 

Благодаря тому, что вумная электроника способна работать с магнитом на некотором расстоянии от него, то механического износа нет как такового. Ломаться тоже нечему – мелкие хрупкие детали просто отсутствуют.

Второй бочкой меда в ложке дегтя является высочайшая точность, которая получается при таком подходе – электроника способна регистрировать повороты в сотые доли градуса!
Ну и третий не менее приятный бонус – небольшие размеры магнита и датчика, что делает возможным их установку хоть в руль, хоть в педали. Собственно, так и делают.

Плюсы
— Бесконтактная работа, отсутствует трение и механический износ;
— Высокая точность и регистрация малейших отклонений руля или педалей;
— Небольшие размеры.

Минусы
— Дороже чем резисторы и оптические энкодеры.

Дописывая текст про третий вид датчиков, невольно возникает чувство гордости за «наших» — пока такие решения применяются только в руле Viper от малоизвестной российской компании Gametrix. По крайней мере никто, кроме них эту технологию в игровых устройствах на данный момент не применяет. 

В данном случае датчики имеют имя MaRS (Magnetic Resistive Sensor, Магнитный Резистивный Сенсор).

Теория vs практика

Народная пословица намекает, что лучше один раз увидеть, нежели сто раз услышать ;) Что же, давайте подкрепим сказанное практическим испытанием.

Для эксперимента понадобится:
— Три руля (на трех видах датчиков – резисторный, оптический и магнитный)
— Программа JoyTester (для наглядно отображения данных, полученных от контроллера руля и педалей)
— Чемпион мира 2006-ого года по игре в NFS — Алан Енилеев :)

Итак, сначала были взяты три руля, которые были последовательно подключены к компьютеру. Играть пока не будем – просто небольшие полевые испытания в программе JoyTester. Эта программа в координатной плоскости рисует линии, соответствующие углам поворота руля или степени нажатия педалей.

Датчик на потенциометре
Начнем с того, что руль совершенно не обрабатывает небольшие отклонения руля вправо и влево, которые совершаются непосредственно вблизи «центра координат». Те самые мертвые зоны, о которых я говорил. Т.е. если вы несетесь в игре по прямой, то можно не делать вид матерого водилы, который небольшими поворотами держит полный контроль над дорогой ) Говоря проще, игра не заметит ваших стараний ) Мало того, без внимания остаются движения, которые совершаются в максимальных углах поворота. Из-за этого у многих людей складывается впечатление, что все рули и игры с рулями – фигня. Мол крутишь баранку, а машине хоть бы хны. Это сильно бьет по самолюбию действительно опытных автомобилистов ;)
Производитель гордится углом поворота руля в 270 градусов (а бывает и 900!), мол можно крутеть-вертеть-неперевертеть. Что же… учитывая, что почти везде используется 8-битный контроллер, который выдает 256 отсчетов, минимальный угол восприятия — 270/256 = 1,056 градуса. Этот самый градус, точнее «лестницу», которую получает игра, мы можем видеть в программе, значительно отклоняя руль.
Еще один всплывший недостаток – нелинейность. Т.е. разница между реальным углом отклонения игрового устройства и данными, переданными игре.

Педали – это тоже что-то. Все начинается с того, что педали не обрабатывают мертвую зону в самом начале, а она составляет ни много, ни мало – примерно 30% от всего диапазона (15-30 градусов). Те же 30% составляет мертвая зона в конце того диапазона, который предлагает комплект. Итого в нашем распоряжении есть всего 40 процентов от полного хода педалей.

Результат – мы жмем тапку в пол, а игра смотрит на это и откровенно ржот ) Соответственно, вы не сможете точно «дозировать» газ и тормоз – нажимая педаль на 70%, игра будет принимать их за все 100. Куда это годится? )

Оптический датчик
Тут уже все лучше. Во-первых, нет мертвых зон, во-вторых, точность намного выше. Данные поступают плавно, «ступенек» нет. Немного напрягают ясно ощущающиеся при вращении руля зубчики шестеренок редуктора, но к ним быстро привыкаешь.

Но… рули на оптических датчиках комплектуются педалями на резисторах )
Педали из комплекта:

Магнитный датчик
В Gametrix Viper три магнитных датчика – один в руле и два в каждой педали (позволяют обрабатывать повороты и нажатия от 0.06 градуса).

Для более очевидной разницы поведения, был собран макет, в котором для одной баранки применяются сразу два датчика – магнитный и резисторный. 

Запускаем программу и… думаю, комментарии излишни. 


Но если вы ничего не поняли – магнитный датчик регистрирует даже самые незначительные отклонения руля от центра, полностью отрабатывает весь диапазон, который предоставляет руль… и то же самое касается педалей. Думаю, это именно то, на что рассчитывают разработчики игр, выпуская свои шедевры.

3... 2... 1... GO!
Ну и самая, пожалуй, интересная часть теста. Алану Енилееву, лучшему виртуальному автогонщику мира 2006-ого года, было предложено прокатиться в игре под наблюдением программ, таких как JoyLogger и WheelTester.

Анализируя запись игры Алана, было выяснено, что самыми востребованными углами поворота в игре находятся в диапазоне от -20 до +20 градусов от центра. Именно те градусы, которые в рулях на потенциометрах находятся в мертвой зоне ;) 

Так же выяснилось, что в среднем игрок совершает одно движение рулем в секунду. А учитывая, что ресурс бюджетного потенциометра всего 800 000 циклов (800 000 секунд), то игровое время, на которое рассчитан руль – всего 250 игровых часов! Ну или чуть больше 10 суток непрерывной игры… мда.

Если играть 2-4 часа в день, то удовольствие будет длиться всего 4-6 месяцев (собственно, тут можно обратить внимание на срок гарантии, которую предоставляют большинство производители). Даже если по истечении этого времени руль останется жив, то показания, передаваемые им в игру, будут далеки от настоящих.
А ведь это всего лишь кроха внутри устройства, которую мы даже не видим… про остальные артефакты, которые вылезут на дешевых устройствах, я даже не говорю.

Какие-то доводы еще нужны? )

Итого
Если Вы действительно неравнодушны к автомобильным симуляторам на компьютере, то без руля и педалей «радость будет неполной». Ассортимент игровых устройств на рынке сейчас очень широк, но по сути, все они одинаковые – меняется лишь «кожура». Поэтому первый совет – не введитесь на россыпи кнопок, кучи педалей, всякие рюшечки и прочие закосы под знаменитых брендов типа Ferrari (ой, случайно возникла ассоциация с черкизовскими мажорами в куртках «Харли Дэвидсон»). Да, все эти модные отделочки могут быть красивыми, но… 15 килобайт текста выше подтверждены практикой и многочисленными темами форумов.
Ничто не вечно – любой продукт, а тем более, подверженный активному механическому воздействию, рано или поздно выйдет из строя. Но сроки жизни у этих устройств сильно разнятся. Поэтому, я считаю, лучше не иметь отдельную статью расходов, покупая раз в год новый комплект рулей и педалей, а купить один раз, но долговечный и более функциональный продукт. Так что если встретили два одинаковых по внешнему виду руля, но цена одного выше всего на 1000 рублей, считайте, вам повезло – перед Вами скорее всего долгоиграющий Gametrix Viper ;) В отличие от других рулей, на этот дают аж 5 лет гарантии.
После покупки в долгу останутся разработчики игр – действительно качественные автосимуляторы сейчас можно посчитать по пальцам.

Успехов!

nnm.ru