ES2646607T3

ES2646607T3 - Dispositivo para medir vías férreas

Info

Publication number: ES2646607T3
Application number: ES14174674.3T
Authority: ES
Inventors: Bernhard Lichtberger
Original assignee: HP3 Real GmbH
Current assignee: HP3 Real GmbH
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: CN105220589A; US9518845B2; JP2016011106A; EP2960371A1; JP6444816B2; US20150377653A1; EP2960371B1

Abstract

Dispositivo para medir vías férreas, para controlar y regular máquinas constructoras de vías férreas, con dos vagones de medición exteriores (15, 21), uno delantero y otro trasero, desplazables sobre un carril, y con un vagón de medición dispuesto intermedio (22) y desplazable sobre un carril, estando asignado a cada uno de los vagones de medición exteriores (15, 21) por lo menos un transductor de posición (14, 20) orientado hacia el vagón de medición intermedio (22) y en el vagón de medición intermedio se encuentra dispuesto un receptor, caracterizado porque en el vagón de medición intermedio (22) están dispuestos por lo menos dos sensores ópticos (16, 17), en particular cámaras, como receptores dispuestos de tal manera sobre un eje óptico (34) que por lo menos un sensor óptico está dirigido hacia el vagón de medición trasero (15) y por lo menos otros sensor óptico está dirigido hacia el vagón de medición delantero (21) y porque las luces de posición (14, 20) son luces de posición (23, 24, 25, 26, 27) que en una determinada disposición geométrica están reunidas cada una formando una unidad luminosa de tal manera que emiten un patrón óptico, con el cual se calcula la posición real de los vagones de medición delantero y trasero en el carril en lo referente a la altura y la posición lateral mediante las distancias geométricamente conocidas de los vagones de medición entre sí y las escalas de imagen de los sensores ópticos, y mediante la comparación con una posición nominal del carril se puede controlar y regular la máquina constructora de vías férreas.

Description

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DESCRIPCION

Dispositivo para medir v^as ferreas

La presente invencion se refiere a un dispositivo para medir vfas ferreas, para controlar y regular maquinas constructoras de v^as ferreas, con dos vagones de medicion, uno delantero y uno trasero, desplazables sobre un carril, asf como un vagon de medicion dispuesto en el medio y desplazable sobre un carril, en los que a los vagones de medicion exteriores se asigna respectivamente por lo menos un transductor de posicion orientado hacia el vagon de medicion intermedio y en el vagon de medicion intermedio se encuentra dispuesto un receptor.

Un dispositivo de este tipo se conoce por el documento EP 135 610 A1. A este respecto, el vagon de medicion intermedio esta equipado con un sistema optico que esta dirigido hacia el respectivo transductor de posicion. Con esto se han de medir puntos espaciales desplazando el transmisor y el receptor conjuntamente por su distancia mutua en posiciones de intervalo y en base a los angulos diferenciales determinados se determina una curva espacial. Sin embargo, un control activo de una maquina de trabajo que avanza de manera continua en funcion de los datos de medicion no es posible con esto.

El uso de dos sensores opticos para medir vfas ferreas se conoce por el documento US 4155176 A. Con esto se puede medir unicamente la direccion del carril en un plano. Un control activo de una maquina de trabajo que avanza de manera continua en funcion de los datos de medicion tampoco es posible con esto.

Un dispositivo puramente optico para medir vfas ferreas se desvela en el documento US 3107168 A. No se preve una evaluacion de los datos de medicion registrados mediante sensores.

Este tipo de dispositivos opticos de medicion y de control para maquinas bateadoras de vfas ferreas sirven para detectar simultaneamente la posicion real (lateral) de un carril y la posicion de altura real del carril. De acuerdo con el estado de la tecnica, para esto se grnan sobre una maquina bateadora para vfas ferreas tres vagones de medicion sobre el carril. Normalmente se emplean dispositivos de medicion que usan cuerdas de acero (DE 10337976 A). Para la medicion, una cuerda de acero se encuentra tensada entre el vagon de medicion delantero y el vagon de medicion trasero. El vagon intermedio lleva un sensor que mide la desviacion radial de la cuerda. Debido a que en las maquinas bateadoras en la proximidad de este sensor tambien se encuentran dispuestas unidades compactadoras requeridas para compactar el lecho de balasto del carril, la cuerda muchas veces representa un obstaculo en arcos cerrados. Para que las unidades bateadoras no entren en conflicto con la cuerda, las cuerdas frecuentemente se desvfan lateralmente por medios mecanicos en los puntos de sujecion exteriores. El error de medicion producido esta manera se compensa electronicamente.

Para medir la posicion de altura de los carriles, sobre los dos rieles se suspenden los asf llamados cables de nivelacion. Los dos puntos de medicion sobre los rieles se exploran normalmente por medio de transductores angulares. Las cuerdas de nivelacion deben disponerse arriba, ya que en la zona inferior interfieren las unidades compactadoras y los mecanismos de rodadura de la maquina bateadora. Estas cuerdas de nivelacion se extienden hasta el interior de las cabinas de las unidades compactadoras, pero allf limitan la libre movilidad del personal en la maquina. Las cuerdas de acero vibran (las frecuencias de compactacion tipicamente se ubican en 35 Hz) y dependiendo de la fuerza tensora del cable y del peso propio tienden a combarse, lo que resulta en una falta de exactitud de las mediciones. Durante el transporte de la maquina es necesario destensar los cables, ya que los vagones de medicion se llevan a la posicion de bloqueo. Estas cuerdas muchas veces se danan durante el transporte o se enredan durante el proceso de tension. La derivacion de las cuerdas de nivelacion en el arco de la via en el exceso de altura del carril resulta en errores de sistema adicionales que deben compensarse matematicamente (una asf llamada medida de descenso). Los medidores de distancia empleados deben ser muy suaves en su funcionamiento y explorar con poca fuerza, con el fin de no adulterar el resultado de la medicion. Los juegos de los elementos de arrastre estan enganchados en las cuerdas de acero producen inexactitudes adicionales.

Por lo tanto, el objetivo de la presente invencion consiste en crear un dispositivo, en particular un dispositivo optico de medicion y de control del tipo mencionado al principio, con el que se prevengan las desventajas de los dispositivos de medicion con cuerdas de acero y con el que se asegure una mayor precision de las mediciones, posibilidades de empleo mas universales y una menor susceptibilidad a los fallos.

El objetivo planteado se resuelve de acuerdo con la presente invencion a traves de las caractensticas mencionadas en la reivindicacion 1. De acuerdo con la invencion, el vagon de medicion delantero y el trasero estan equipados con transductores de posicion en forma de instalaciones de luz que emiten un patron optico. Al vagon de medicion intermedio se asignan dos sensores opticos dispuestos sobre un eje optico, de los que un sensor esta dirigido hacia el transductor de posicion delantero y el otro hacia el transductor de posicion trasero, o a los respectivos vagones de medicion. En base a las distancias geometricamente conocidas de los vagones de medicion entre sf y las escalas de representacion de los sensores opticos, se puede determinar la posicion de los transductores de posicion sobre la superficie del sensor, por ejemplo, de una camara, a traves de programas de evaluacion de imagenes convencionales y en base a esto calcular la posicion real del vagon de medicion delantero y del vagon de medicion trasero en el carril en lo referente a la altura y posicion lateral. Una maquina constructora de vfas ferreas, por

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ejemplo, una maquina bateadora para elevar y alinear el carril en una posicion nominal, puede entonces controlarse y regularse de manera correspondiente mediante la comparacion de las posiciones reales medidas y calculadas con las posiciones nominales del carril.

De acuerdo con la presente invencion, al vagon de medicion delantero y al vagon de medicion trasero se asigna respectivamente por lo menos un transductor de posicion, que a su vez comprende respectivamente por lo menos una luz de posicion. Varias luces de posicion se reunen en una determinada disposicion geometrica y tamano para formar una unidad luminosa, con el fin de simplificar la evaluacion de las imagenes. En una forma de realizacion de la presente invencion esta previsto que varias fuentes luminosas (en forma de lamparas incandescentes o de LED de alta potencia) se dispongan de manera luminosa en una forma geometricamente evaluable y eventualmente en diferentes tonos de color. Dado el caso, el transductor de posicion tambien puede ser un reflector irradiado por una fuente luminosa. Tambien el reflector (en forma de banda) presenta preferentemente una forma geometrica definida.

Es particularmente ventajoso si sobre el balcon de medicion intermedio se posicionan dos camaras digitales o camaras PSD, espedficamente sensores de posicion opticos, en particular de una manera centrada y se ubican sobre un eje optico de tal manera que una camara esta dirigida hacia adelante y la otra hacia atras. Los sensores de posicion opticos son sensores que pueden medir la posicion unidimensional o bidimensional de puntos de luz. Tales sensores se pueden dividir en dos categonas: Por una parte existen sensores analogicos, por ejemplo, diodos sensibles a la posicion (PSD) que suministran informacion de posicion lineal (continua), y por otra parte existen sensores digitales discretos, por ejemplo, camaras CCD, cuya superficie esta estructurada en forma de cuadncula y que suministran una informacion de posicion discreta. Las camaras CCD para el uso en la presente invencion deben presentar un tamano de por lo menos 4 megapfxeles.

Si los vagones de medicion se desvfan en el arco lateralmente y en la posicion de altura, entonces las camaras toman las imagenes correspondientes. En base a la escala de representacion de las camaras se puede calcular la posicion real de los vagones de medicion y, por lo tanto, la posicion de las camaras con relacion a ello. En caso de que con radios de carril muy estrechos no sea suficiente el campo visual de las camaras, se propone disponer las unidades luminosas, por ejemplo, los reflectores, sobre una unidad de desplazamiento transversal con deteccion de la posicion de desplazamiento. De esta manera, las lamparas de posicion pueden desplazarse lateralmente dentro del campo visual de las camaras con ayuda de una unidad de reajuste mecanica. El trayecto de reajuste se puede medir mediante un transductor de reajuste. Este trayecto de reajuste puede tomarse en cuenta en la evaluacion matematica.

Para que las imagenes de las luces de posicion o de los reflectores puedan determinarse de manera particularmente buena, se puede sustraer la imagen de fondo. Para esto, los transductores de posicion que emiten luz y las camaras se controlan de tal manera que se toma una imagen con las luces de posicion (reflectores) encendidas y luego se toma una imagen con las luces de posicion (reflectores) apagadas, para despues sustraer estas imagenes entre sf. Por lo tanto, la imagen de fondo y los posibles errores de representacion se eliminan del calculo.

Las luces pueden realizarse para emitir luz en diferentes colores. Asimismo, los colores de la luz de las lamparas de posicion pueden ser conmutables a traves de un dispositivo de mando. El colorido de los diferentes elementos luminosos tambien puede realizarse de una manera variable de una toma imagen a otra toma de imagen (LED's de multiples colores). Las ventajas se obtienen en la evaluacion de las imagenes y en posibles pruebas de plausibilidad. Debido a que la velocidad de trabajo de, por ejemplo, las maquinas bateadoras es muy lenta (2,5 km/h como maximo), se puede partir de la suposicion de que las dos imagenes tomadas son practicamente identicas en lo referente al trasfondo. Si las luces de posicion estan dispuestas en forma de cruz, entonces se puede calcular la inclinacion transversal de los vagones de medicion exteriores con respecto al vagon de medicion que lleva las camaras en base a los datos de imagen. Si el vagon de medicion que lleva las camaras esta equipado con un medidor de inclinacion transversal absoluta (pendulo, inclinometro o algo similar), tambien se pueden calcular las inclinaciones absolutas de los vagones de medicion exteriores. En las maquinas bateadoras, estas inclinaciones se miden a traves de pendulos y se usan para controlar la maquina. La inclinacion transversal no tiene que medirse necesariamente en el vagon de las camaras, ya que la medicion tambien se puede efectuar en uno de los vagones de medicion exteriores. En base a los angulos de inclinacion determinados con la camara, al conocerse la inclinacion absoluta de uno de los vagones de medicion se pueden calcular las inclinaciones de los otros vagones de medicion. Los procesos de alineacion y elevacion de una maquina bateadora trabajan con constantes de tiempo en el alcance de 0,3 a 0,5 s, por lo que una velocidad de toma de imagenes de 50 Hz es suficiente. Por medio del software de evaluacion de imagenes convencional se puede determinar el centro de la cruz optica y la inclinacion de la cruz en la direccion transversal del carril de la imagen de camara en coordenadas y angulos.

Debido a los desgastes mecanicos de las ruedas de medicion y otras magnitudes de influencia, los equipos de medicion de las maquinas bateadoras tienen que ser calibrados periodicamente. En el caso ideal, el funcionamiento del equipo de medicion siempre se debena comprobar al comienzo de una fase de trabajo. Los sistemas de medicion convencionales con cuerdas de acero normalmente estan equipados con circuitos de mando analogicos, que requieren un ajuste complejo; por esta razon, practicamente es imposible efectuar una comprobacion rapida y sencilla del equipo de medicion antes de comenzar el trabajo. En la forma de realizacion de acuerdo con la presente invencion, en una realizacion con varias luces de posicion, estas se pueden usar para calibrar la escala de representacion grafica. Debido a que las distancias y la disposicion de las luces de posicion son parametros

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definidos y predeterminados, en base a la imagen de los mismos sobre la superficie del sensor se puede calcular (calibrar) el parametro de representacion grafica. Con este fin, los distintos elementos luminosos (LED's) de una lampara de posicion tambien se pueden conectar y activar separadamente. La calibracion descrita puede efectuarse en todo momento de una manera automatizada y rapida, tambien inmediatamente antes de comenzar un trabajo de compactacion de la via.

En esta forma de realizacion de acuerdo con la presente invencion es ventajoso el eje de medicion optico, libre de inercia, en lugar de los cables de acero. Ademas, el eje optico se encuentra en particular en el centro del carril, en donde no actua de manera interferente en la zona de las unidades de trabajo. Debido a que no existe ninguna derivacion de una cuerda con los consiguientes errores de sistema, tal como sucede con las cuerdas de acero y los transductores de nivelacion, la exactitud alcanzable de la medicion se incrementa de manera sustancial. Adicionalmente, se omiten los danos de las cuerdas, que suelen presentarse con frecuencia durante el transporte y el equipamiento. La deteccion simultanea de la posicion de alineacion, la posicion de altura y de la inclinacion lateral de los vagones de medicion representa una ventaja adicional. Ademas, con el uso de las camaras digitales no se presentan desviaciones por desplazamiento debido a la temperatura, como normalmente es el caso con los sensores de odometna generalmente empleados.

El objeto de la presente invencion se representa en los dibujos a tftulo ejemplar. En los dibujos:

La Fig. 1

La Fig. 2 La Fig. 3 La Fig. 4 La Fig. 5 La Fig. 6

La Fig. 7

La Fig. 8

muestra una disposicion de medicion con la cuerda de medicion tensada y con un sensor de medicion para la alineacion del carril de acuerdo con el estado de la tecnica en una vista desde arriba. muestra una vista lateral de la disposicion de medicion de acuerdo con la Fig. 1. muestra una disposicion de medicion de acuerdo con la presente invencion en una vista desde arriba. muestra la disposicion de medicion de la Fig. 3 en una vista lateral.

muestra una forma de realizacion de acuerdo con la presente invencion de las luces de posicion. muestra la forma de realizacion de acuerdo con la presente invencion con pendulo en el vagon de medicion de las camaras y con imagenes de camara representadas esquematicamente. muestra imagenes de camara con una representacion simultanea de la desviacion lateral y de altura de los vagones de medicion exteriores.

muestra una imagen compuesta de las dos imagenes de camara de la Fig. 7.

En las instalaciones de medicion con cuerda de acero 3 de acuerdo con el estado de la tecnica (Fig. 1), en el carril 1 se mueven dos vagones de sujecion 2, 7. El vagon de medicion de alineacion intermedio 4 lleva un medidor de distancia 5, con el que se mide la desviacion 6 de la cuerda de acero 3. Los vagones de sujecion 2, 7 y el vagon de medicion de alineacion 4 preferentemente forman parte de una maquina de construccion de vfas ferreas, en particular de un equipo de elevacion y alineacion. Dependiendo de la geometna conocida del carril, se puede determinar la desviacion nominal. Mediante la comparacion de la desviacion real medida 6, el carril se lleva a la posicion nominal por medio de unidades de alineacion correspondientes y se fija allf mediante la compactacion del balasto subyacente.

En los equipos de medicion convencionales con cuerda de acero 13 para la altura del carril (Fig. 2), en el carril 1 se mueven dos vagones de nivelacion 8, 12. Sobre el vagon de nivelacion 9 se encuentra un transductor de nivelacion 10 que mide la desviacion de altura 11. Mediante la comparacion de la altura nominal con la altura real medida de esta manera, la unidad de elevacion de la maquina bateadora se dirige de tal forma que la desviacion sea igual a cero y el carril se fija en esa posicion mediante la compactacion del balasto subyacente.

En una forma de realizacion de acuerdo con la presente invencion para la alineacion del carril (Fig. 3) los dos vagones de medicion exteriores 15, 21 que se desplazan en el carril llevan transductores de posicion 14, 20, espedficamente lamparas de posicion o bandas reflectoras. El vagon de medicion intermedio de camaras 22 lleva dos camaras 16, 17 dispuestas sobre un eje optico 34, de las que una camara 16 esta dirigida hacia atras hacia el vagon de medicion 14 y la otra camara 17 esta dirigida hacia adelante hacia el vagon de medicion 21. Las zonas de angulo de imagen (distancia focal que los objetivos) 18, 19 se seleccionan de tal manera que las luces de posicion 14, 20 todavfa son visibles para las camaras con el radio de carril mas pequeno a ser tratado.

De manera simultanea se mide la altura del carril (Fig. 4). La representacion esquematica muestra la disposicion de acuerdo con la presente invencion desde un punto de vista lateral.

Una posible disposicion de las luces de posicion se muestra en la Fig. 5. Las luces de posicion podnan realizarse como LED de alta potencia. A este respecto, para una facil evaluacion y comprobacion de plausibilidad en la evaluacion de las imagenes, los LED podnan estar realizados en diferentes colores y con conmutacion de colores. Por ejemplo, el LED 23 podna emitir luz roja/verde, el LED 27 podna emitir luz verde/roja, el LED central 26 podna emitir luz blanca/verde y los LED 24 y 25 podnan emitir luz amarilla/blanca.

La disposicion de acuerdo con la presente invencion (Fig. 6) se muestra en forma simplificada para la alineacion en el eje de carril 1. En el vagon de medicion de las camaras 22 se instala adicionalmente un medidor de inclinacion lateral 35. Las desviaciones reales de las dos lamparas de posicion exteriores 14, 20 con respecto a la posicion de las camaras 16, 17 son A y B. En la direccion longitudinal del carril, se define el eje de coordenadas x, la direccion

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transversal del carril se define como eje y, mientras que el eje de altura se define como eje z. Los vagones de medicion de posicion exteriores, realizados para poder desplazarse sobre el carril, se encuentran ubicados a las distancias a y b desde el vagon de medicion de las camaras. Normalmente, a tiene una longitud de entre 4 y 6 m, mientras que b tiene una longitud de entre 8 y 12 m. Las desviaciones laterales son de hasta 0,8 m desde el centro del carril y las desviaciones de altura son de hasta 0,4 m desde la posicion central. La desviacion de las camaras con respecto a la lmea de conexion imaginaria de las los luces de posicion resulta entonces en C. Las dos imagenes de camara 28, 29 muestran la posicion de las luces de posicion 30, 31 en la pantalla de forma analoga a las distancias A' y B'.

Para la posicion C de la camara 16, 17 con relacion a la lmea de conexion de las dos luces de posicion 14, 20 se obtiene entonces (con depuracion de signos) (Fig. 7):

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C — --------------------- ■ (b ■ A + a ■ B)

a + b

donde A y B se calculan en base a las evaluaciones de camara y la escala de imagen (M1, M2) de la siguiente manera:

A = M± - A'

B = M2 ■ B'

Con una desviacion lateral y vertical de las luces de posicion (Fig. 7), de manera simultanea con la desviacion lateral tambien se determina la desviacion vertical, de la siguiente manera:

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Z = ------- ■ (b ■ X + a -Y)

a + b

donde X e Y se calculan analogamente en base a las evaluaciones de camara y la escala de imagen, de la siguiente manera:

X = M± -X1 Y = M2 -Y'

La Fig. 8 muestra las luces de posicion 32, 33 de la Fig. 7 en una imagen unificada 28, 29. Las dos luces de posicion 32, 33 se inclinan ahora debido a la inclinacion transversal existente en los vagones de medicion exteriores por los angulos aA y ae con respecto al eje de camara. Para determinar las inclinaciones reales, el sistema de coordenadas se gira con ayuda de la inclinacion de camara medida aK. De esta manera, mediante la medicion de la inclinacion de camara se puede determinar la inclinacion absoluta aA del vagon de medicion trasero y delantero ae.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para medir v^as ferreas, para controlar y regular maquinas constructoras de v^as ferreas, con dos vagones de medicion exteriores (15, 21), uno delantero y otro trasero, desplazables sobre un carril, y con un vagon de medicion dispuesto intermedio (22) y desplazable sobre un carril, estando asignado a cada uno de los vagones de medicion exteriores (15, 21) por lo menos un transductor de posicion (14, 20) orientado hacia el vagon de medicion intermedio (22) y en el vagon de medicion intermedio se encuentra dispuesto un receptor, caracterizado porque en el vagon de medicion intermedio (22) estan dispuestos por lo menos dos sensores opticos (16, 17), en particular camaras, como receptores dispuestos de tal manera sobre un eje optico (34) que por lo menos un sensor optico esta dirigido hacia el vagon de medicion trasero (15) y por lo menos otros sensor optico esta dirigido hacia el vagon de medicion delantero (21) y porque las luces de posicion (14, 20) son luces de posicion (23, 24, 25, 26, 27) que en una determinada disposicion geometrica estan reunidas cada una formando una unidad luminosa de tal manera que emiten un patron optico, con el cual se calcula la posicion real de los vagones de medicion delantero y trasero en el carril en lo referente a la altura y la posicion lateral mediante las distancias geometricamente conocidas de los vagones de medicion entre sf y las escalas de imagen de los sensores opticos, y mediante la comparacion con una posicion nominal del carril se puede controlar y regular la maquina constructora de vfas ferreas.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque los sensores opticos (16, 17) son camaras digitales.
3. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque los sensores opticos son camaras PSD (16, 17), espedficamente sensores opticos de posicion.
4. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque las luces de posicion (23, 24, 25, 26, 27) presentan diferentes colores de luz.
5. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los colores de luz de las luces de posicion (23, 24, 25, 26, 27) pueden conmutarse mediante un dispositivo de mando.
6. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque las distintas luces de posicion (23, 24, 25, 26, 27) de un transductor de posicion (14, 20) pueden ser conmutadas y controladas de manera independiente entre sf mediante un dispositivo de mando.
7. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los transductores de posicion (14, 20) que emiten luz y las camaras (16, 17) se controlan de tal manera que las camaras (16, 17) toman de manera alternada imagenes de transductores de posicion que emiten luz (14, 20) e imagenes de transductores de posicion apagados (14, 20).
8. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque a por lo menos uno de los vagones de medicion (22) se encuentra asignado un medidor de inclinacion transversal (34).
9. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque las unidades luminosas (14, 20) estan dispuestas sobre una unidad de desplazamiento transversal con deteccion de la posicion de desplazamiento.