Дрифта больше нет! Как команда GearZ решила проблему дрифта у оригинальных геймпадов DualSense от компании SONY⁠⁠

Всем привет! Меня зовут Виталий, я представляю проект GEARZ и всю его команду. Скорее всего вы уже знакомы с нами и нашей продукцией, если ещё не знакомы, то самое время дочитать до конца. Мы постарались изложить информацию максимально доступно. В этот проект мы вложили душу, время (почти 3 года) и деньги (куда без них)... Как основатель и автор проекта, расскажу вам подробно и конечно же отвечу на интересующие вопросы.

Поехали...

Миллионы геймеров постоянно сталкиваются с проблемой дрифта 3d-джойстика (механизма 3d-аналога) у своих геймпадов во время игры. Стики неожиданно начинают «жить своей жизнью», персонаж или камера приходят в движение, даже если геймер в данный момент не касается устройства. Играть становится невозможно. На сайтах магазинов, торгующих игровыми консолями, появляется множество подобных отзывов:

Купил геймпад пару месяцев назад. Использовал редко. Начал дрифтовать левый стик…

Это самое слабое место у DualShock 4, DualSense и Xbox. Решается в сервисном центре ремонтом или заменой механизма 3d-джойстика. Но это временное решение. Через какое-то время стики снова начинают шалить…

Почему это происходит?

Дрифт возникает из-за износа механических потенциометров (переменных резисторов). Из-за этого нарушается плавность и стабильность управления персонажем и обзором камеры, особенно когда в настройках установлена высокая чувствительность.

Экскурс в конструкцию механизма

Рассмотрим подробнее механизм 3d-джойстика подробнее, чтобы понять, почему возникает проблема с дрифтом.

Механизм 3d-джойстика.

На фото изображён один из механизмов от компании ALPS которые устанавливаются в геймпады DualShock 4, DualSense. В металлическом корпусе — механизм, отклоняющий центральную ось в любую сторону (по осям X и Y). В зависимости от того, куда наклоняется стик, две боковые оси (красная и белая) поворачиваются на необходимый угол. По бокам механизма, на осях, крепятся переменные резисторы (на фото — зеленые детали), состоящие из пластикового основания и металлических лапок.

На основании есть резистивное покрытие (графитовый слой). Состоит из двух контуров: внешнего — с выходом на правую и левую ножки потенциометра и внутреннего — с выходом на ножку посередине. Между средней ножкой и ножкой справа или слева постоянно измеряется сопротивление. Металлические «лапки» выполняют роль ползунка. Вращаясь в любую сторону, они изменяют сопротивление резисторов.

Когда геймер не касается стиков, сопротивление между средней и боковыми ножками резисторов должно быть одинаковым. Этот баланс — гарантия надежной работы. Когда стик наклоняется, меняется баланс сопротивлений. Это изменение считывает контроллер геймпада, и в игре персонаж начинает двигаться в соответствующем направлении.

Инсайт от сервисных центров

Какие проблемы чаще всего выявляются в сервисных центрах:

• Резистивное напыление на основании потенциометра нанесено неравномерно. Металлические лапки, непрерывно перемещаясь по нему, из-за неровности покрытия начинают сильно стачивать поверхность. Поэтому сопротивление измеряется с ошибкой;

• Низкое качество металлической лапки. Элементы, контактирующие с резистивным напылением, могут оказаться слишком острыми или искривленными и быстро, как наждаком, стачивают его;

• Брак механизма. Случается, что центральная ось установлена не строго вертикально, как должно быть, а под небольшим углом. Такое бывает также из-за износа пластиковых деталей в механизме после длительного использования;

• Ненадежность конструкции. Оси неплотно прилегают к отверстию в резисторах, что становится причиной небольшого дрифта;

• Попадание смазки из механизма на поверхность с резистивным напылением, что приводит к ускоренному износу графитового слоя.

Эти проблемы далеко не единичны, встречаются массово. Что говорит как о высоком проценте брака, сходящего с конвейера производителей, так и о несовершенстве самой конструкции джойстика на потенциометрах.

Когда производители глухи, или Кулибины не дремлют

Проблема несовершенства механизма 3d-джойстиков привлекла наше внимание давно. Занимаемся модернизацией геймпадов с 2016 года. За это время разработали много собственных модернизаций для геймпадов DualShock 4, DualSense. Но мы не касались усовершенствования 3d-механизма аналогового стика и это не позволяло нам давать долгосрочную гарантию на геймпады которые мы кастомизировали.

Устаревший механизм «родного» 3d-джойстика становился причиной 95% неисправностей с нашими кастомизированными геймпадами. Поэтому осенью 2020 года мы начали искать и тестировать технологии, альтернативные пресловутым графитовым потенциометрам, — главной причине «дрифтовых» бед геймпадов.

Старый добрый DualShock 4

Для экспериментов выбрали проверенный временем геймпад DualShock 4. Из всех существующих и доступных вариантов технологий, позволяющих передавать сигналы от механизма 3d-джойстика в управляющий контроллер геймпада, остановились на электромагнитной технологии с использованием датчика Холла. Попутно необходимо было решить задачу с минимизацией задержек при передаче сигнала обратно в геймпад и чтобы все новые детали уместились внутри корпуса, не мешая работе штатным. Немаловажным моментом было и то, что питание для нашего устройства должна была обеспечивать электроцепь геймпада.

Идея

Было решено графитовые потенциометры заменить на магнитный энкодер AS5600, а на каждую из осей 3d-джойстика установить постоянные радиально намагниченные неодимовые магниты.

Ресурс графитовых переменных резисторов ограничен, так как там есть изнашиваемые части. Цифро-аналоговый потенциометр таких частей не имеет, работает намного дольше. Неодимовый магнит за 100 лет работы теряет лишь 1% намагниченности, а микросхема энкодера исправно служит около 10 лет. Цифро-аналоговый потенциометр запрограммирован так, что его характеристики полностью соответствуют параметрам механического переменного резистора.

Магнитный энкодер AS5600 представляет собой программируемый магнитный поворотный датчик положения с 12-битным аналоговым или PWM-выходом высокого разрешения. Он измеряет абсолютный угол диаметрально намагниченного осевого магнита. AS5600 применяется в бесконтактных потенциометрах, обладает прочной конструкцией, исключающей воздействие извне любых однородных паразитных магнитных полей. Для корректной работы аналогового потенциометра его абсолютные углы программируются так, чтобы начало и конец пути оси джойстика имитировал поворот его потенциометра.

Схематически всё должно было выглядеть так:

Весной 2021 года мы приступили к разработке прототипа, смоделировали общую концепцию устройства, заказали необходимые компоненты. Магниты заказывали на фабрике по своим индивидуальным размерам. Через 2 месяца мы получили работающую версию устройства и приступили к ее тестированию.

Фото первой версии прототипа, с тех пор в ней многое переработано.

Сначала тестирование проводилось в лабораторных условиях. Затем мы стали отправлять геймпады с установленными модификациями геймерам, которые проводят за устройствами не менее шести часов в день. Именно такой режим использования был оптимальным для испытаний. Отзывы оказались благоприятные. Воодушевленные результатом, мы запустили в производство первую ограниченную серию модулей, получивших название 3d m-system. И зарегистрировали патент на полезную модель за номером RU 209978 U1.

Фото модуля 3d m-system, запущенного в серию.

Версия для DualSense

В течение полугода после выпуска серии мы установили порядка 300 комплектов и получили более предметную обратную связь от геймеров. Отклики пользователей позволили выявить ряд недочетов, которые требовалось устранить. Потребитель их не видел, но нам хотелось сделать устройство технологичнее и функциональнее.

Поэтому весной 2022 года мы начали разрабатывать новую версию 3d m-system.

Задачи перед нами стояли следующие:

• первая версия 3d m-system много потребляла, надо было оптимизировать энергопотребление;

• качество сигнала требовалось улучшить, а задержки при его передаче уменьшить;

• найти более технологичное решение для конструкции модели в целом;

• сделать устройство более надежным.

Новое поколение 3d m-system решили разрабатывать под геймпады DualSense. Тем более что с 3d-механизмами ситуация у них была еще хуже, чем у DualShock 4.

Решили перейти на отдельный управляющий микроконтроллер, задача которого — собирать данные с четырех датчиков Холла, обрабатывать и возвращать на управляющий контроллер. При этом надо было реализовать возможность калибровки и программной настройки входного и выходного сигналов устройства, а также оснастить диагностическими утилитами.

Фото прототипа обновлённого 3d m-system.

В июле 2022 года был готов прототип. Но появились новые задачи. Необходимо было улучшить обработку сигнала и уменьшить размеры управляющей платы, чтобы она легко помещалась в корпусе геймпада. На это ушло еще два месяца. В результате мы создали более сложное технологически, но стабильное в работе устройство. К тому же предельно простое в установке и настройке.

Нам удалось создать действительно хорошую альтернативу потенциометрам для механизма 3D-джойстика, которые используют в геймпадах последние 10 лет.

Вот доказательства, что мы не лукавим:

• Между постоянным магнитом и датчиком нет физического контакта, как в случае с переменными резисторами, а значит нет износа и, как следствие, дрифта.

• Сигнал на выходе, идущий к контроллеру геймпада, получает лучшее качество, потому что усиливается, а затем стабилизируется. Это означает, что управление персонажами или камерой будет плавным.

• Каждое устройство индивидуально калибруется и настраивается под геймпад, в который оно устанавливается.

• Если сдвинется центровка стика, или по каким-то причинам сломается сам механизм, проблема быстро решается в одном из наших сервисных центров без его полной замены.

• Пользователю доступны все имеющиеся настройки и при желании все можно сделать самому.

На сегодняшний день мы устанавливаем обновленную версию модификации 3DMS (сократили название) в устройства DualSense, а для тех кто хочет сделать это самостоятельно, имеется DIY набор. Выглядет устройство сейчас вот так.

Подробная видео-инструкция по установке:

Текстовая версия инструкции с описанием работы всех режимов https://docs.google.com/document/d/1QY3Pn5_J584w3j4SNHz9ayWbd0ZA6LtebMjyWdS5918/

На сегодняшний день мы готовим к выходу обновлённую версию. Внесли ряд улучшений как в аппаратную часть, так и в софт, а именно:

• полностью перешли на новые 3д механизмы.

• шлефы к датчикам перенесли на FPC разъёмы.

• устранили ошибки в программном обеспечении.

Конкуренция и аналоги

Совсем недавно наши братья из поднебесной, запилили своим механизмы на датчиках Холла для геймпадов прошлого поколения DualShock 4, но к сожалению работают они не так хорошо как хотелось бы... принцип работы основан на нашей первой разработке. Им удалось уменьшить магнитный энкодер AS5600 и засунуть его в крошечный корпус. Задумка отличная, но как это часто бывает, реализацию они не довели до ума и сложность в том что калиброваться 3д механизм должен по месту на геймпаде, а тут он уже на заводе откалиброван и единственное что нужно сделать, отрегулировать центральное смещение. Мы планируем сделать более детальный разбор в ближайшем будущем.

Вот так выглядет готовый 3д механизм с магнитным энкодером.

Однозначно в ближайшее время появится больше предложений, возможно мы подали идею в массы на своем опыте и в какой-то момент производители начнут встраивать в геймпады.

Большое спасибо что дочитали до конца этот пост =) Как и всякому разработчику полезных решений, нам необходима обратная связь. Если у вас возникли вопросы или основания для критики результатов нашей работы, мы всегда готовы их услышать!