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Joysticks - Spiel, Spaß und Spannung für HMI-Designer

Als C.B. Mirick 1926 seine Erfindung als Steuerungssystem für unbemannte Flugzeuge patentieren ließ, konnte er nicht ahnen, dass sie später in zahlreichen Gebieten und Anwendungen zum Einsatz kommen würde. Für die Entwicklung eines Joysticks stehen mehrere Aufbau-Varianten zur Wahl. Ein Überblick.

Joysticks haben sich schnell als Steuer- und Regelungswerkzeug in vielen Einsatzbereichen der Industrie und Medizin durchgesetzt, ebenso für Züge, Schiffe sowie Land- und Baumaschinen. In der Unterhaltungsindustrie werden sie bei Konsolen, Computerspielen und Simulationen genutzt. Heute sind Joysticks aus industriellen Steuerungsanwendungen, dem Konsumgütermarkt und der Automobilentwicklung nicht mehr wegzudenken.

Der erste Entwurf eines Joysticks basierte auf Schaltkontakten und gilt damit als digitaler Joystick. Die einfachste Ausführung hatte vier Kontakte, mit einem Informationsgehalt von 4 bit wurden die Zustände "an" und "aus" erfasst. Damit lassen sich auch diagonale Auslenkungen erkennen.

Bei einem analogen Joystick werden Richtung und Winkel zwischen der Auslenkung und den Achsen gemessen. Hierfür kommen Potenziometer oder optische oder magnetische Sensoren zum Einsatz, die kontaktlos und damit verschleißfrei arbeiten.

Ein optischer Joystick hat zwei Encoder-Scheiben, die jeweils an ein Achsengelenk gekoppelt sind. Jede Scheibe besteht aus Schlitzen und Blenden; auf der einen Seite sind sie mit einer Diode, auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Photozelle versehen. Diese sind entweder diskret oder mit einer Lichtschranke verbunden. Strömt Licht von der Diode durch den Schlitz, wandelt die Photozelle dieses in Strom um. Gibt es keinen Schlitz, liegt auch kein Strom am Ausgang der Photozelle an. Aus der Anzahl der Strompulse errechnet ein Algorithmus im Mikrocontroller die Position.

Bei einem Potenziometer-Joystick befinden sich an beiden Drehgelenken, dem für die x-Achse und dem für die y-Achse, jeweils ein Potenziometer. Sie erfassen die Änderung des Widerstands, wenn der Joystick bewegt wird und sich die Winkel der Drehgelenke ändern. Ein Mikrocontroller gibt dann die entsprechenden Werte aus.

Revolving Joints (Dual-Hall-Sensor-Aufbau)

Die ursprünglichen mechanischen Kontakt-Joysticks mit Potenziometer haben einen Nachteil: Die Erfassungs- und Steuerungsleistung des Potenziometers degradiert durch die Reibung der Kontaktflächen. Dieser Nachteil wird mit dem Austausch der Potenziometer durch Magnete und berührungslos abtastende Hall-Sensoren überwunden (Bild 1). Gleichzeitig steigen die Präzision und Zuverlässigkeit, es gibt ein verbessertes Bediengefühl.

Zudem ist der Dual-Hall-Sensor-Aufbau sehr praktisch: Wie mit einem Potenziometer wird die Bewegung des Joystick-Griffes in eine Rotation des End-of-Shaft-angeordneten Magneten umgewandelt und vom Hall-Sensor aufgenommen. Der aufwändig entwickelte mechanische Aufbau von bestehenden Joystick-Designs muss - wenn überhaupt - nur minimal angepasst werden.

Der Aufbau hat jedoch auch ein Manko: Da die Beziehung zwischen dem Hall-Sensor-Ausgang und der tatsächlichen Bewegung des Joysticks nichtlineare Eigenschaften aufweist, muss diese im Sensor mittels Setpoints linearisiert werden.

Gimbal-Joint-Joystick

Einen anderen Aufbau zeigt Bild 2. Bei diesem Gimbal-Joint-Joystick befindet sich unterhalb des Griffes ein rotierender Permanentmagnet, der auf den Hall-Sensor zeigt. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten und dem einzelnen Hall-Sensor wird die Bewegung des Joysticks auf den 2D-Erfassungsbereich projiziert. Bewegt sich der Joystick innerhalb von ca. ±30°, zeigt das Ausgangssignal eine gute Linearität.

Die Herausforderung bei diesem Aufbau liegt darin, das mechanische System im Griff zu haben. Eine Alterung der Mechanik durch Abnutzung führt zu einer unbekannten Verschiebung des Sensors als Rotationsmittelpunkt, was statisch nicht zu kompensieren ist.

Universal-Joint-Joystick

Eine Universal-Joint-Aufhängung bietet eine gute Alternative, um das Problem der Genauigkeitsabnahme aufgrund der Rahmenreibung zu lösen (Bild 3). Die Mechanik ist nicht nur robuster gegenüber Abreibung, sondern vereinfacht auch den Herstellungsprozess und senkt die Produktionskosten. Sie punktet zudem mit guter Linearisierbarkeit und einem einfachen mechanischen Aufbau. Die wesentlichste Verbesserung bei diesem Design besteht darin, dass sich der Joystick-Griff um ein Kardangelenk dreht und die ganze Zeit auf das Zentrum dieses Gelenkes zeigt.

Kit im Überraschungs-Ei-Konzept

Um die verschiedenen Aufbauoptionen zu evaluieren, sind eine ebenso vielseitige Joystick-Plattform und ein flexibler Hall-Sensor nötig. Viele Hersteller bieten Joystick Kits an, um Interessenten einen solchen Sensor zur Verfügung zu stellen, den sie in der Anwendung testen; die gesammelten Daten können für Simulationen verwendet werden.

Die "Joystick-Evaluation-Plattform" von TDK-Micronas (Bild 4) erinnert stark an das Überraschungs-Ei-Konzept - nur die Schokolade fehlt. Die verschiedenen Komponenten lassen sich - wie der Inhalt eines Überraschungs-Eis - so zusammenstecken, dass sie alle drei mechanische Joystick-Geometrien ermöglichen.

Neben den TDK-Micronas-HAL-3900 -Sensoren enthält das Kit Leiterkarten, 3D-gedruckte-Mechanik, Magnete, Zubehör und eine ausführliche Anleitung. Zusätzliche Sensor-Leiterplatten erlauben eine direkte Integration der Sensoren in eine Applikation.

Der HAL 3900 ermöglicht es nicht nur, Magnetfelder sehr präzise zu erfassen, sondern auch die synchrone Messung aller drei Magnetfeldkomponenten BX, BY und BZ an einer einzigen Stelle. Dadurch erkennt der Sensor die Richtung des Magnetfeldes. Gleichzeitig bietet das einzigartige Konzept einer Anordnung von sechs z-Hall-Platten sowie zwei Hall-Pixelzellen eine 2D-Streufeldkompensation. Der Sensor eignet sich damit für verschiedene Messaufgaben bzw. für jede Sensor/Magnet-Geometrie, für die bislang unterschiedliche Sensoren benötigt wurden. Da das Sensor-Array des HAL 3900 hochflexibel ist, können Konstrukteure einfach die beste Betriebsart für jede Messaufgabe auswählen. Abhängig vom eingestellten Messmodus ist es so beispielsweise möglich, temperaturkompensierte Rohwerte von BX, BY, BZ oder bis zu zwei berechnete Winkel auszugeben.

Um den Nichtlinearitätsfehler des Gesamtsystems zu reduzieren oder sogar ein willkürliches Ausgangsverhalten zu generieren, bietet der Sensor mit einem aktivierten Kanal bis zu 33 "Fixed Setpoints", bei zwei aktivierten Kanälen bis zu 17 Fixed Setpoints pro Kanal. Sind variable Setpoints gefragt, stehen bis zu 18 Setpoint-Intervalle bei einem verwendeten Kanal oder jeweils bis zu acht Intervalle bei zwei verwendeten Kanälen bereit.

Als SEooC (Safety Element Out of Context) nach ISO 26262 ist der HAL 3900 für sicherheitskritische (ASIL-) Anwendungen qualifiziert. Die Streufeldkompensation (gemäß ISO 11452-8) ist in einigen Messmodi bereits integriert und erfolgt automatisch. Die Kommunikation mit dem Sensor erfolgt über eine SPI-Schnittstelle.

Der digitale HAL 39xy benötigt weder eine externe Signalverarbeitung noch komplizierte Kompensationsalgorithmen. Durch die Messmodi mit drei bzw. sechs z-Hallplatten lässt sich mit dem Revolving-Joint-Aufbau ein streufeldkompensierter Joystick umsetzen.

Die Sensordaten des Joystick Kits können wahlweise mit einem Arduino oder dem TDK-Micronas SPI Programmer ausgelesen werden. Mit der herunterladbaren "Joystick-Evaluation-Plattform"-Software (Bild 6) haben Anwender ein Werkzeug, um wichtige RAM-Registerwerte des Signalpfades des Sensors auszulesen, die Messwerte Joystick-spezifisch zu visualisieren sowie einen gerenderten Joystick zu bewegen und zur weiteren Analyse als .cvs-Datei zu exportieren.

Für eine bestmögliche Joystick Performance ermöglicht das LabView Programming Environment des HAL 3900 zusammen mit dem TDK-Micronas SPI Programmer die Sensorkalibrierung und das Umstellen der benötigten Messmodi.

Für eine Arduino-Plattform stellt TDK-Micronas den Quellcode zum Auslesen der benötigten HAL-3900-Register zum Download bereit. Zur schnellen Evaluierung der neuen Produkte eignen z.B. sich diverse ARM Cortex M0 -Boards mit Arduino-kompatiblen Steckverbindern.

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Figure 1: Dual Hall Effect Sensor Construction
Bild 1: Dual-Hall-Sensor-Aufbau