FlyStick — Umbauten

Handgerät

So sieht er aus. Ein Hohlstecker steckt an seinem Ende, damit der Akku nicht leer läuft.

Für die beiden Knöpfe (einer oben, der andere an der Unterseite) ist ein 869-MHz-Funksender eingebaut. Es ist sogar ein Transceiver (also mit Empfänger), so dass man damit eine störungsfreie, zuverlässige Datenübertragung realisieren kann, oder auch ein Firmware-Update des enthaltenen Mikrocontrollers.

Und das ist der herausgefundene Schaltplan.

Schaltplan, mal schnell „disassembliert“

Beim genauer Analyse des Schaltplans, der Signale und der mechanischen Konstruktion fallen eine Menge Ungereimtheiten auf:

• Die Speisespannung beträgt 2,4 V (2 NiMH-Akkus R3). Die angegebene Mindestspannung des Funkmoduls beträgt jedoch 2,7 V. Ein Glück also, dass es überhaupt funktioniert. Und dann mit angezogener Handbremse.
• Die Antenne ist alles andere als 8 cm lang. Eher 16 cm. Doppelt hält besser? Nein, ½ λ ist perfekte Fehlanpassung! Außerdem verknotet sie sich im Innern des Aluminium-Rohrs.
  Da sind 5 hübsche M3-Gewindestäbe an der Vorderseite, die als Antenne geradezu einladen!
• Der Sender sendet ständig — auch ohne Tastendruck. Energieverschwendung! Haben Sie schon mal den Einschalter bei Ihrer TV-Fernbedienung gesucht? Und wie lange halten da die Batterien? Bei manchen länger als der Fernseher.
• Der verwendete Mikrocontroller (AT89C51AC2) ist laut Datenblatt für eine derartige Fernbedienung ebenfalls ungeeignet, mit einem Ruhestrom von 350 µA.
  Zum Vergleich: Ein geeigneter und viel billigerer Mikrocontroller ATtiny2313 — gleichfalls von der Firma Atmel — verbraucht maximal 0,1 µA.
• Der Quarzoszillator (14,74 MHz) läuft durch, also verbraucht der Mikrocontroller Betriebsstrom (nicht Ruhestrom) von einigen mA.
• Vom Funkmodul wird nur der Sende-Teil verwendet, dadurch prinzipiell keine gesicherte Übertragung möglich
• Das Funkmodul arbeitet am besten mit gleichspannungsfreien Signalen, das sieht hier nicht danach aus. Gesendet wir schlichtweg ein RS-232-Signal.
• Die eingesetzte Zweifarb-Leuchtdiode kann nur einfarbig angesteuert werden. Sie ist auffallend schlecht (will sagen: letzter China-Dreck), die LED-Chips sitzen extrem auffallend außerhalb der optischen Achse, und die LED „schielt“.

Erste Umbaumaßnahme: Höhere Abstrahlungsleistung

• 1 Akku mehr passt ja auch noch in das Rohr, also 3 x 1,2 V = 3,6 V, mehr Sendeleistung
• Antenne mit kurzem Draht an den längsten Gewindestab angeschlossen, ergibt 24 cm Antennenlänge, also ¾ λ. Auch eine Anpassung, wenn auch nicht ganz so gut wie ¼ λ. Dazu müsste man das Sendemodul umdrehen.

Zweite Umbaumaßnahme: Einfaches Ladegerät

Hin wie her, der Flystick wird maximal 1 Stunde pro Tag benutzt und minimal 23 Stunden pro Tag geladen. Wer braucht da einen Schnell-Lader? Richtig: niemand.

Eine Konstantstromquelle samt Miniatur-Trafo passt in den Standfuß und erspart obendrein die ewig störende Wandwarze. Mit 50 mA Ladestrom (viel weniger als ein Zehntel der Nennkapazität) kann man keine Akkus totbrennen. Zum Glück ist der Standfuß genügend dickwandig zum Basteln und bietet genug Hohlraum für den Trafo.

Pardon, Kein Foto vorhanden

Empfangsteil

   
Der Funkempfänger. Gespeist von einem Steckernentzteil.

Und das ist der Schaltplan:

 
Schaltplan, mal schnell „disassembliert“

Neubau

Auf PC-Seite geht es stets per USB in den Rechner. Das erspart Wandwarzen und ähnliche Stromversorgungsprobleme. Das Gerät meldet sich schließlich als Joystick mit 2 Tasten und null Hebeln.

 
Unser Nachbau ist kürzer. drahtgebunden: An seinem Ende ist ein 4-poliger Binder-Stecker (Typnummern Kupplung: 719-09-9765-30-04, Einbaustecker: 719-09-9764-70-04) für den USB-Anschluss.

drahtgebunden: Im Gehäuse ist genügend Platz für das reichlich lange Kabel zum Buchsenstopfen, welches beim Eindrehen entsprechend verwunden im Innern zu liegen kommt.

drahtlos: Im Gehäuse ist Platz für 2 R3-Primärzellen, so wie im Original. Da die Ruhestromaufnahme extrem gering ist, ist keine Lademöglichkeit notwendig oder vorgesehen. So ist der Stopfen frei von Kabeln und kann problemlos aufgeschraubt werden, etwa zum Batteriewechsel.

drahtgebunden

Ein weiterer wird mittels V-USB und ATtiny44 aufgebaut. Hier ist die Firmware. Diese gibt sich als Joystick mit 2 Tasten und null Hebeln aus und überträgt pro Report gerade mal 1 Byte mit sinnvollen 2 Bits. Zumindest Windows XP kommt damit problemlos zurecht. Ob es die VR-Software auch tut? - Ja, problemlos!

Leiterplatten-Bestückung als kabelgebundener HID-Joystick. Die zusätzlichen Bauelemente sind 2 Serienwiderstände und 2 Dioden zur Speisespannungsreduktion

drahtlos

• Verwendung des preisgünstigen Sende-Empfangs-Moduls RFM12B-433-S, für volle Sendeleistung bei 3,3 V und geringster Schlafstromaufnahme
• Verwendung des ATtiny44 als Mikrocontroller auf Sendeseite, ATmega8 auf Empfangsseite
  (Vorteile des ATmega8: Firmware-Update via USB, mehr Platz im Flash-Speicher für ZigBee- oder ZigBee-ähnliche Sensornetzwerk-Arbitrierung, Beacon-Aussendung und -Repetierung)
• Verwendung von V-USB für USB-Anschluss (HID; seriell optional, dann USB für Stromversorgung, oder FT232RL)
• Mehrere Sendekanäle einstellbar (zur Vermeidung gegenseitiger Beeinflussung benachbarter VR-Labors)
• Multi-Master-Fähigkeit (mehrere FlySticks können kollisionsfrei mit einem Empfänger benutzt werden)
• Mehrjähriger Batteriebetrieb (wie in TV-Fernbedienungen) aus 2 Zellen R3
• Ohne Steckernetzteil
• 100-prozentige Übertragungssicherheit durch Handshake-Verfahren
• Konfigurierbarkeit über HID-Feature-Requests

Schaltung Handgerät

Die Schaltung mit den zwei gegenüber liegenden Tasten passt in den FlyStick-Kopf

Schaltung „Empfänger“

Die aufgebaute Schaltung kommt mit nur wenigen Bauelementen aus

Firmware

Firmware Handgerät mit USB-Kabel (Variante B)

• Im wesentlichen eine Kopie eines der V-USB-Joystick-Beispiele. Simpel.

Firmware Handgerät mit UHF-FM-Transceiver (Variante C)

• Auf Tastendruck muss Mikrocontroller aufwachen, den Empfänger aktivieren und den Äther abhören
• Findet er nach 1 s auf allen (4) zu suchenden FM-Kanälen keinen „Beacon“, rote LED blinken lassen (Verbindungsfehler), sonst
• In einem festgelegten (für Neugeräte reservierten) Zeitschlitz nach dem Beacon sendet es den Gerätekode und den Tastenstatus
• In einem für den Host reservierten Zeitschlitz wird die Bestätigung gelesen. Wenn OK dann grüne LED blinken lassen, alles OK, sonst
• 1 s lang wiederholen bis OK oder nicht OK (Sendezeitschlitz-Nummer wird stochastisch ausgewählt.)
• Auch beim Loslassen der Taste wird ein Ereignis abgesetzt; ansonsten schlafen Mikrocontroller und Transceiver

Firmware „Empfänger“ (Variante C)

• Gerät kann mehrere FlySticks empfangen; Selektion bspw. per Konfiguration, oder eben 3 Joystick-Collections bereitstellen!
• Gerät kann als Master (sendet Beacon) oder Repeater (wiederholt Beacon) fungieren, in letzterer Funktion vergößert er die Reichweite des Sensornetzes — und empfängt trotzdem die bis zu 3 FlySticks
• Frequenz-Hopping, wie und wann?
• Solange nicht im USB-Schlafmodus sendet das Gerät ständig Beacons (bspw. 125 Hz = 1/8 USB-SOF-Takt)
  oder wiederholt diese in einem festen Zeitschlitz direkt nach dem empfangenen Beacon; ab und zu muss der Repeater aussetzen um zu horchen, ob jemand anderes schon repeatet, wenn ja, dann nächstes Repeat-Level (?)
• Im Zeitschlitz für Anmeldung von Neugeräten horchen
• Bei Empfang USB-Interrupt-IN entsprechend setzen

Einsatzerfahrungen

Bedrahtete FlySticks

Funk-Flysticks

Die Ruhestromaufnahme liegt bei 0,7 µA. Die zwei R3-Zellen mit angenommenen 500 mAh Kapazität halten somit rechnerisch 70 Jahre; ein Ausschalter erübrigt sich wie geplant. Beim Senden liegt die Stromaufnahme bei 30 mA, in den Sendepausen bei 3 mA (zz. laufen beide Oszillatoren weiter, könnte man noch deutlich reduzieren).

Mitten in der Entwicklungsphase streikte der ATtiny44 vollends. Dies lag schließlich daran, dass der RFM12 ein Reset-Kommando beim Programmieren abbekommen haben muss und daraufhin RES permanent nach LOW zog. Man sollte es also vermeiden, die beiden Reset-Eingänge zu verbinden, wenn man noch genügend Pins frei hat. Schließlich wurden VDI, IRQ und FFIT gar nicht gebraucht.

Ausblick

Next Generation: Kompletter Neubau (Überlegung)

Die Positionserkennung erfolgt hierbei durch Aussenden von kodierten Ultrascall-Signalen am FlyStick, den Empfang an mindestens 3 Ecken der Projektionswand und der Berechnung durch Laufzeit und Triangulation. Der Wandler am Handgerät sollte möglichst Kugelcharakteristik haben. Zur Schallgeschwindigkeitsbestimmung wird die Lufttemperatur gemessen.
Vielleicht auch andersherum, zur Energieeinsparung im Handgerät. Dies erfordert allerdings rechentechnisch aufwändige Signaltrennung. Oder Zeitmultiplex und Bewegungsprädiktion mit den Beschleunigungssensoren für angestrebte 100 Messwerte pro Sekunde.

Die Lageerkennung erfolgt wie beim WII-Eingabegerät mit Beschleunigungssensoren sowie einem Magnetkompass. Zugegeben, der Kompass ist das schwächste Glied der Berechnungskette, da er gern durch Fremdfelder verfälscht wird. Eine Alternative wären mehrere Ultraschall-Sender (bzw. Empfänger) am FlyStick.

Um Problemen mit Funknetzen aus dem Weg zu gehen ist eine Infrarotübertragung der Synchronisations- und Bediensignale angedacht. Allerdings beißt sich das mit anderen Infrarot-Fernbedienungen geben. Im VR-Bereich ist die Verwendung von Infrarot zur Fernsteuerung unüblich.

In Stichpunkten die Eigenschaften und Vorteile des Systems:

• Kompaktes, Energie sparendes, schnurloses oder drahtgebundenes (batterieloses) Handgerät
• Kleine, unauffällige Ultraschall-Mikrofone an den 4 Ecken der VR-Fläche oder den 8 Ecken des VR-Raumes, kombiniert mit IR-Empfängern
• Komplett USB-basiert, Verkabelung mit USB-Steckern (und -Hubs?), Geräte vereinzelbar
• Handgerät kompatibel zu WII

Alles in allem haben wir es mit einem Local Positioning System (LPS) zu tun.