3-osiowy joystick analogowy jak działa i do czego go wykorzystać
3-osiowy joystick analogowy jak działa i do czego go wykorzystać
Joystick analogowy to popularny element sterujący, znany m.in. z kontrolerów do gier. Pozwala na płynne, proporcjonalne sterowanie ruchem w dwóch lub więcej kierunkach. W tym artykule wyjaśnimy, czym jest 3-osiowy joystick analogowy, czym różni się od tradycyjnego 2-osiowego, jak jest zbudowany i na jakiej zasadzie działa. Przytoczymy również przykładowe zastosowania DIY tego elementu w projektach hobbystycznych. Wszystko w prostym, zrozumiałym języku tak, aby zachęcić Cię do własnych eksperymentów z elektroniką.
Co to jest 3-osiowy joystick analogowy?
3-osiowy joystick analogowy to niewielki moduł sterujący, który umożliwia odczyt wychylenia drążka w trzech osiach oznaczanych jako X, Y i Z. Oś X odpowiada za ruch w lewo-prawo, oś Y za ruch w górę-dół, natomiast oś Z w tego typu joystickach bywa realizowana jako dodatkowy przycisk umieszczony pod drążkiem. Taki joystick wywodzi się konstrukcyjnie z gałek analogowych znanych z padów do konsoli np. PlayStation, jednak posiada dodatkową funkcjonalność trzeciej osi, której klasyczne 2-osiowe joysticki nie mają.
Joystick 3-osiowy montowany jest na małej płytce drukowanej z wyprowadzonymi pinami. Typowy moduł posiada pięć wyprowadzeń: dwa wyjścia analogowe (dla osi X i Y), zasilanie (+5 V), masa (GND) oraz wyjście przycisku (oś Z). Dzięki temu łatwo można go podłączyć do mikrokontrolera lub płytki prototypowej Arduino, Raspberry Pi. Wystarczy doprowadzić zasilanie i odczytywać sygnały z wyjść analogowych oraz stan przycisku. Ten komponent jest często wykorzystywany w projektach elektronicznych i robotycznych do sterowania różnymi urządzeniami.
Czym różni się od tradycyjnego joysticka 2-osiowego?
Standardowy joystick analogowy 2-osiowy mierzy wychylenie drążka tylko w dwóch kierunkach (osie X i Y). Umożliwia to sterowanie np. ruchem w płaszczyźnie poziomej i pionowej dokładnie tak, jak działają gałki w większości kontrolerów do gier. Taki 2-osiowy joystick nie posiada natomiast trzeciego wejścia sterującego. Jeśli chcemy dodać kolejną funkcję np. potwierdzenie wyboru w menu czy sterowanie dodatkowym parametrem, potrzebny jest oddzielny przycisk lub pokrętło.
W joysticku 3-osiowym otrzymujemy tę trzecią funkcjonalność wbudowaną. W typowych modułach Arduino trzecia oś (Z) to po prostu wbudowany przycisk aktywowany wciśnięciem drążka w dół. Pozwala on np. zatwierdzać wybór lub inicjować określoną akcję bez potrzeby stosowania osobnego przełącznika. Dzięki temu 3-osiowy joystick jest bardziej uniwersalny oprócz ruchu w dwóch osiach możemy także wykrywać naciśnięcie drążka.
Warto wspomnieć, że w niektórych większych joystickach przemysłowych czy modelarskich trzecia oś bywa zrealizowana nie jako przycisk, lecz jako ruch obrotowy drążka. Taki drążek można obrócić wokół własnej osi np. jak manetkę motocykla lub pokrętło, co jest odczytywane przez trzeci potencjometr. W modułach hobbystycznych jednak znacznie częściej spotyka się wersję z przyciskiem, jak opisywany tutaj model KY-023. Podsumowując, główna różnica polega na dodaniu trzeciego sygnału sterującego, co zwiększa możliwości interakcji z urządzeniem w porównaniu do zwykłego joysticka dwuosiowego.
Zasada działania analogowego joysticka
Joystick analogowy opiera swoje działanie na potencjometrach, czyli rezystorach o zmiennej rezystancji. W praktyce każdy analogowy joystick zawiera dwa potencjometry (dla osi X i Y) zamontowane prostopadle względem siebie. Działają one na zasadzie dzielnika napięcia rezystancyjnego. Skrajne wyprowadzenia potencjometru są podłączone do plusa i minusa zasilania, a środkowy pin suwak daje sygnał wyjściowy. Gdy drążek joysticka jest przechylany, obraca on jednocześnie elementy tych potencjometrów, zmieniając ich rezystancję, a tym samym napięcie na wyjściu odpowiadające danej osi. Innymi słowy, napięcie na wyjściu potencjometru odwzorowuje pozycję drążka różne wychylenia dają różne napięcia analogowe.
W pozycji neutralnej gdy drążek nie jest wychylony oba potencjometry znajdują się mniej więcej w środkowym położeniu. Wówczas na ich wyjściach otrzymujemy napięcie około połowy wartości zasilania przykładowo ~2,5 V przy zasilaniu 5 V. To odpowiada centralnemu położeniu joysticka. Mikroprocesor np. STM32 odczytuje te napięcia za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. ADC zamienia je na wartości liczbowe. Środkowe położenie drążka da nam mniej więcej połowę zakresu odczytu dla 10-bitowego ADC jest to ok. 512 na skali 0-1023, a dla 12-bitowego ADC ~2048 na skali 0-4095. Gdy przechylimy drążek w skrajne położenia, napięcie na odpowiedniej osi zbliży się do 0 V lub do wartości zasilania 5 V, co mikrokontroler odczyta jako minimalną lub maksymalną wartość. Dzięki temu możemy bardzo precyzyjnie określać, jak mocno i w którą stronę joystick został wychylony zakres ruchu jest ciągły, a nie tylko „ON/OFF”.
Wspomniana oś Z, jeśli jest zrealizowana jako przycisk, działa już cyfrowo tzn. nie daje wartości pośrednich, a jedynie dwa stany: wciśnięty lub puszczony. Taki przycisk umieszczony pod drążkiem jest zwykle zwarte do masy, gdy drążek zostanie wciśnięty w dół. Mikrokontroler odczytuje stan tego przycisku jako logiczne 0 lub 1 np. przy pomocy wejścia cyfrowego z podciągnięciem do plusa. W efekcie mamy informację, czy użytkownik nacisnął drążek, co można wykorzystać do dodatkowych akcji np. zatwierdzania wyboru w menu, strzału w grze.
Przykładowe zastosowania w projektach DIY
3-osiowy joystick analogowy jest bardzo wszechstronnym podzespołem. Dzięki możliwości odczytu dwóch analogowych wartości jednocześnie oraz dodatkowego sygnału przycisku, znajduje on wiele zastosowań w projektach hobbystycznych. Oto kilka przykładów, do czego można go wykorzystać:
- Sterowanie robotem lub pojazdem RC: Joystick idealnie nadaje się do kontrolowania ruchu robotów mobilnych, zdalnie sterowanych samochodów czy łazików. Jedna oś może odpowiadać za prędkość np. jazda przód-tył, a druga za kierunek skrętu lewo-prawo. Dodatkowy przycisk może służyć do uruchamiania specjalnej funkcji, np. klaksonu czy trybu turbo. Dzięki analogowemu odczytowi możemy płynnie regulować prędkość i skręt, a nie tylko włączać je lub wyłączać.
- Własny kontroler do gier lub symulatorów: Mając dwa takie joysticki, można pokusić się o zbudowanie prostej konsoli do gier lub panelu sterowania do symulatora lotu. Gałki analogowe zapewnią precyzyjne sterowanie postacią lub pojazdem w grze, a wbudowane przyciski mogą pełnić rolę akcji strzał, skok. Istnieją biblioteki umożliwiające odczyt joysticków przez Arduino i emulację urządzenia HID np. joystick USB pozwala to stworzyć własny gamepad. Taki projekt rozwija umiejętności i daje mnóstwo satysfakcji, gdy uda się zagrać w grę za pomocą samodzielnie zrobionego kontrolera.
- Sterowanie kamerą lub gimbalem: W projektach filmowych i fotograficznych joystick bywa wykorzystywany do ręcznego sterowania platformą obrotową, gimbalem lub serwomechanizmami. Przechylając drążek, możemy płynnie obracać kamerę w dwóch osiach, uzyskując ładne ujęcia. Przycisk może np. wyzwalać migawkę aparatu lub przełączać tryb pracy kamery. Dzięki precyzji joysticka uzyskujemy większą kontrolę nad ruchem kamery niż w przypadku zwykłych przycisków dwustanowych.
- Interfejs użytkownika w projektach elektronicznych: Joystick analogowy sprawdza się jako uniwersalna „myszka” lub nawigator w różnych samodzielnych urządzeniach. Można go użyć do poruszania kursorem na ekranie np. na małym wyświetlaczu OLED w projekcie menu albo do przewijania list i wyboru opcji. Wciśnięcie drążka może pełnić rolę kliknięcia lub zatwierdzenia wyboru. W porównaniu do kilku osobnych przycisków, jedna gałka pozwala intuicyjnie sterować menu urządzenia w wszystkich kierunkach, co upraszcza obsługę.
- Inne kreatywne pomysły: Elektronicy DIY ciągle wymyślają nowe zastosowania. Joystick może posłużyć jako element sterowania manipulatorem (ramieniem robotycznym) gdzie oś X i Y steruje ruchami podstawy, a przycisk chwytem. Bywa używany w projektach instrumentów muzycznych DIY, np. do modulacji dźwięku zmiany tonu i głośności. Można nim też sterować oświetleniem RGB, wybierając kolor dwie osie do wyboru składowych barw, przycisk do zatwierdzenia. Ograniczeniem jest w zasadzie tylko Twoja wyobraźnia wszędzie tam, gdzie potrzebne jest analogowe sterowanie dwoma parametrami naraz, joystick będzie dobrym rozwiązaniem.
Podsumowanie – czas na własne eksperymenty
3-osiowy joystick analogowy to prosty i wszechstronny element, idealny do projektów DIY od robotyki, przez automatykę, po kontrolery do gier. Dzięki dwóm osiom analogowym i wbudowanemu przyciskowi daje spore możliwości sterowania. Łatwo go podłączysz do Arduino, STM32 czy ESP32 wystarczy kilka przewodów. Jeśli chcesz spróbować samodzielnie, znajdziesz taki moduł w naszym sklepie. Powodzenia i dobrej zabawy z elektroniką!
Produkt powiązany z artykułem:
Prezentowaną w artykule elektronikę znajdziesz oczywiście w naszym sklepie 👉 sklep.msalamon.pl 👈Zapraszamy również na nasze social media, gdzie na bieżąco informujemy o nowych produktach oraz o najciekawszych promocjach 😎👇
