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游戏手柄漂移不定背后的科学原理

作者:壹零社爱科学

玩家朋友们,你遇到过这样的情况吗,明明都没有进行操作,人物却自己在跑,视角也在自动旋转,如果有遇到,那么恭喜你,你的手柄摇杆漂移了。任天堂Switch在发布之初就因大面积的摇杆漂移问题遭到诉讼,后续不得不提供免费的维修和退款服务,可见手柄漂移对于玩家体验的影响是有多么恶劣。那么手柄为什么会漂移,有没有办法彻底解决这个问题呢?

游戏手柄漂移不定背后的科学原理

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进灰,碳膜摇杆漂移的“元凶”

手柄的所有功能,包括按键和摇杆,都是通过电流信号来判断开关的,按键好理解,按下某个按键,电流通过,生成信号,游戏机接收信号,响应对应的指令,简单来说就是一个0和1之间做选择的二极管。

摇杆则不同,它需要判断方向,而且现代手柄是类比摇杆,所以还需要获取推动的幅度信息,以确定角色是步行还是在奔跑,方向盘转动的幅度等等。而当我们使用摇杆时,实际上是在转动两个分别代表前后/左右方向的小轮子,这两个小轮子会与电阻材料接触,摇杆转动的幅度越大,电流就需要通过越多的电阻材料,电流值就会发生变化,通过识别这两个小轮子的电流值,系统就会获知摇杆转动的方向和强度,再在游戏里体现为人物的移动或视角的转换。

游戏手柄漂移不定背后的科学原理

拆解开的碳膜摇杆,可以看到一圈碳膜电阻

这两个小轮子的正式名称是电位器,显然,电位器的信号是否受影响,就是摇杆是否漂移的根本原因,因为电位器需要配合电阻材料来判断电流,而当有灰尘进入摇杆内部且恰好附着在电子材料上,就会导致电流大小产生波动,进而输出不正常的信号值,形成漂移现象。

那么灰尘是哪里来的呢?有可能是外部吸入的,但更有可能是摇杆结构导致的,我们之前描述的这种摇杆被称为碳膜摇杆,电位器在移动时需要与碳膜电阻材料接触,这就意味着会产生摩擦,从而让碳膜上的碳层磨损脱落,从而造成漂移问题,从我们的经验来看,这个问题几乎无解,时间用久了碳膜摇杆漂移的几率非常高。

游戏手柄漂移不定背后的科学原理

当碳膜手柄出现问题时,我们也可以尝试维修,因为原因非常简单就是进灰,所以要做的事情无非就是清灰而已。考虑到目前御三家:微软、索尼和任天堂第一方手柄都是碳膜摇杆,索尼甚至连精英手柄都是碳膜摇杆(难怪支持可拆卸更换),所以大多数玩家可能都需要自己动手维护,可以通过拆解手柄,使用WD-40清洁剂或灌装压缩空气喷射的方式来清灰。但考虑到碳膜摇杆漂移的原理,清灰操作往往是治标不治本,故障复发的几率较高。

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从根源解决问题的非接触式霍尔摇杆

既然接触摩擦是碳膜摇杆漂移的主要原因,那有没有不需要接触摩擦的摇杆方案呢,当然有,就是最近这一两年非常热门的霍尔摇杆,它通过霍尔效应来判断摇杆方向和强度,当摇杆移动时就会产生磁场,下方的霍尔元件会检测到这个磁场就会生成一个电信号,整个过程都不需要接触,自然就不存在漂移的问题,综合使用寿命更长,而且磁场感应的精度比碳膜电阻要高很多,而且不像碳膜电阻那样对温度十分敏感。

游戏手柄漂移不定背后的科学原理

自行更换霍尔摇杆可以大幅延长手柄的使用寿命

霍尔摇杆的起步较晚,但发展速度很快,在一年多以前还主要是高端游戏手柄采用,而现在的百元级手柄也开始普及全霍尔方案,成本已经下探到了主流水准。而且霍尔传感器不仅用于摇杆,同样也用于扳机键。

传统的线性扳机需要连杆来推动电位器产生电信号,而霍尔扳机和霍尔摇杆一样,是通过非接触的霍尔效应来转换信号,因此精度更高的同时,手感还更加顺滑,更适用于需要使用扳机键精准操控油门刹车的赛车游戏。

对于手柄故障的玩家,如果手柄已经过保,对自己的动手能力有信心的话,与其清灰维护,还不如自己更换霍尔摇杆元件,御三家的手柄都有第三方霍尔摇杆可以买到,笔者近期更换了两只PS5手柄的四个摇杆,总计花费也不过52元,可以说是一劳永逸的解决方案了。

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