Аналоговый джойстик: две оси и кнопка

Манипулятор на двух серво был моей любимой поделкой: одна серво крутит основание, вторая поднимает шею, на конце — лазерная указка. Управлял я им четырьмя кнопками: влево, вправо, вверх, вниз. Каждое нажатие — ступень, серво съезжает на два градуса и замирает. От нейтрали до цели по горизонтали было градусов тридцать, то есть пятнадцать нажатий туда и столько же обратно. Движение выходило ступенчатым, как у робота из дешёвого фильма, хотя вести серво плавно мы уже умеем — в уроке про плавное движение серво ход расписан по градусу за раз. Не хватало другого: непрерывного руля, который чувствуется пальцами, а не считается нажатиями.

Ответ на это — аналоговый джойстик, такая же ручка-стик, как на геймпаде. Внутри дешёвого модуля KY-023 сидят два потенциометра и тактовая кнопка: наклоняешь ручку в любую сторону — оба выдают непрерывные значения, а нажатие на ручку сверху — это отдельная кнопка «выбрать». Ни библиотек, ни ШИМ не нужно: только analogRead, digitalRead и голова.

План урока: сначала читаем обе оси и кнопку сырыми числами и учимся печатать их так, чтобы довольны были и монитор, и плоттер. Потом упираемся в честный тупик — дрожь в центре, — вводим калибровку центра и мёртвую зону, переводим значения в четыре направления и собираем всё в симуляторе: движок сам построит два ползунка под оси и кнопку под пин 2.

Модуль KY-023 — платка с тремя полезными вещами. Первые две — потенциометры по 10 кОм, ровно те же детали, что мы крутили отвёрткой в уроке про потенциометр и analogRead: три ножки, крайние на питание, средняя — съёмная. Ручка джойстика механически связана с движками обоих: наклон влево-вправо двигает один движок, вверх-вниз — второй. Средние ножки выведены на контакты VRx и VRy. Ручка на пружинке: отпускаешь — сама возвращается в центр, а при вдавливании щёлкает встроенная кнопка. Стоит модуль дешевле чашки кофе, и это его главный аргумент: испортить при экспериментах не жалко.

Выводов у модуля пять: GND, +5V, VRx, VRy и SW — кнопка. Оси читаем analogRead-ом: АЦП на Uno 10-битный, диапазон 0–1023, одно чтение занимает около 100 мкс, так что обе оси плюс кнопка опрашиваются быстрее, чем за треть миллисекунды. В центре ручка даёт примерно половину диапазона — около 512, у упора — 0 или 1023. Какой край в какую сторону — зависит от распайки: у двух моих клонов направления не совпали, и это нормально.

Кнопка SW замыкает свой контакт на GND, когда ручку вдавливаешь сверху. Настраиваем пин как INPUT_PULLUP — и получаем инвертированную логику из урока про кнопку: в покое HIGH, при нажатии LOW. Внешние резисторы не нужны, а жест «нажать и удержать» сам просится на роль «подтвердить».

Обратите внимание на формат печати: значения выходят парами имя=значение в одной строке — x=512 y=503 knopka=1. Монитору такой формат удобен, чтобы читаться глазами без напряга, а плоттер из каждой строки получает три именованных ряда — как мы разбирали в уроке про Serial Plotter. Голые числа через запятую тоже работают, но ряды в них обезличены, а с двумя осями легко перепутать, кто из них кто.

Цена у этой печати копеечная. Строка из 22 символов при 9600 бод — это около 22 мс в порту: 9600 бод — это примерно 960 символов в секунду, по миллисекунде на символ. При delay(300) порт занят около семи процентов времени — для джойстика арифметика сходится с запасом. Если поднять скорость до 115200, тот же символ будет стоить около 87 мкс, но и стандартных девяти тысяч шестисот для трёх строк в секунду хватает с избытком.

Кнопка в покое печатает 1 — это HIGH от подтяжки, при нажатии станет 0. А теперь главный сюрприз первого знакомства: поставьте ручку в центр и не трогайте. Значения не замрут на 512. У меня ось X гуляла между 505 и 519, ось Y стояла на 519 и шумела на пару значений туда-сюда. Это не брак — это жизнь, и с ней разбирается следующий раздел.

Первую версию я вешал на курсор: отклонение оси — смещение точки на экране в пикселях. Схема работала, но точка в центре дрожала и ползла: 506, 512, 517, 509 — каждый кадр новое значение, курсор трясся на 6–8 пикселей, будто палец лежит на ручке. Руки в этот момент были в карманах. Полчаса я гонял модуль на брак и уже искал коробку от возврата, а потом понял: я спрашиваю у дешёвого потенциометра идеально ровный центр, которого не бывает.

Причин у дрожи три, и все честные. Первая: центр каждого экземпляра свой — механический ноль ручки редко попадает в электрическую середину 512; у моего X стоял на 505, Y — на 519. Вторая: шум — дешёвые потенциометры дают разброс в 2–3 значения от замера к замеру даже на неподвижной ручке. Третья: рука дрожит физически, и это норма — поднесите палец к ручке, не касаясь, и увидите, как числа откликаются.

Лечение — из двух частей. Калибровка: при старте, пока ручку никто не трогает, читаем каждую ось двадцать раз и берём среднее. Двадцать замеров по 100 мкс — это 2 мс в setup(), а запомненный центр становится точкой отсчёта вместо бумажных 512. Мёртвая зона: если отклонение от центра меньше порога — считаем ручку стоящей в центре и ни на что не реагируем.

Порог — вещь личная. Мёртвая зона в 40 значений — моя норма для дешёвых модулей: это 80 значений из 1024, около восьми процентов диапазона, и рука такого порога не замечает. У фирменных модулей с аккуратными потенциометрами хватает 20. А для платформы с вибрирующими моторами я поднимал до 60 — иначе ось ловила дрожь корпуса.

Разберём арифметику. dx и dy — отклонения от откалиброванного центра, abs() берёт модуль, чтобы на этом шаге не думать о знаке. Пока оба отклонения внутри мёртвой зоны — ручка считается стоящей в центре. Как только хоть одно вылезло за порог — сравниваем модули: чья ось отклонилась сильнее, та и рулит. Диагоналей в этой схеме нет, и для манипулятора они не нужны: «влево и чуть вверх» всё равно раскладывается в два независимых действия по одной оси за раз. На плоттере мёртвая зона видна лучше всего: качните ползунок и посмотрите, как ряд x выходит из полосы шириной в восемь процентов диапазона — всё, что внутри полосы, скетч считает тишиной.

Знак определяет сторону. У моего модуля наклон вправо увеличивал x — вплоть до 1023, а наклон вверх уменьшал y — к нулю. Если у вашего модуля наоборот, просто поменяйте местами стороны сравнения: это не баг, а распайка конкретного экземпляра, я на двух своих так и сделал.

Заметьте: в этом скетче кнопка опрашивается в лоб, и пока держишь ручку — Klik печатается каждые 300 мс. Для учебного лога это даже наглядно, а для устройства — спам. Лечится фронтом: сравниваем текущее значение с предыдущим, печатаем только на переходе HIGH в LOW. На реальной плате этого мало: контакты дребезжат 5–20 мс после замыкания, и одно нажатие читается как несколько — антидребезг из урока про дребезг сюда ставится без переделок.

Номер направления 0–4 напрашивается на switch: четыре case и default — ровно та форма, которую разбирали в уроке про switch/case, и в финальной версии манипулятора я так и переписал: switch по направлению, в ветвях — вызовы функций поворота. А когда направлений станет шестнадцать, по четыре на сторону, вы придёте к матричной клавиатуре — она следующая по плану раздела, и там сканировать придётся уже строками и столбцами, без единого аналогового входа.