Navigation systems for special user groups

Abstract

With the advent of smartphones and apps, navigation systems have become one of the most widely used mobile applications on the planet. At the same time there are some user groups, especially among people with disabilities, for whom the benefit of navigation systems is even greater than for the average user. Even though navigation systems for those smaller user groups have become available in recent years and are of great help to their users, those navigation systems are currently not as great a tool as they could potentially be, as has been shown by prototypes in smaller research projects.

From a user perspective, navigation systems give feedback about the current location, receive input about a desired destination, and guide the user to this destination. In addition to that, the system itself needs to determine the position and calculate a route to the destination. For all of these navigational tasks, the systems needs a world model, be it a map or another representation of the world.

Many existing projects have concentrated on adapting these navigational tasks to the specific requirements of a user group, and even though this thesis contributes to these efforts, especially for blind users, its main contribution lies in a different approach. The thesis supposes that the world model provides a great leverage for adapting navigation systems to the specific requirements of the users, as the world model has influence on all navigational tasks and therefore is an integral part of all modern navigation systems. Due to this importance, the world models of currently existing special navigation systems for people with disabilities often suffer from one of two distinct problems: If the model is specifically built for the intended purpose, e.g. a navigation system for a defined disability, it is only available in a confined area. This is mostly the case with research systems. Commercially available systems on the other hand strive to cover as large an area as possible, but have to accept certain drawbacks regarding the world model's applicability for the specific purpose. Ideally, a world model for special navigation systems is both available world-wide and specifically built or at least adapted for the intended purpose.

This thesis introduces a way of integrating both requirements. A world model that is widely available and used by many people builds a common base for the navigation system. This ensures the availability and currentness of the data. This world model is then changed individually with Map Content Transformations, which were developed specifically for this purpose. These Map Content Transformations combine data that is implicitly present in the base data with user specific requirements encoded into the transformation rules and thus adapts the world model according to both the requirements of the user and of the intended navigational tasks.

It is shown that these adaptations of the world model can have positive influence on all navigational tasks and can, together with the incremental advances regarding the navigational tasks themselves, create an important step towards individualized navigation systems that optimally support their users in their spatial tasks.

Even though in this thesis Map Content Transformations and their usages are applied to the field of navigation for people with disabilities, they have the potential to be used in a variety of applications based on spatial data.

Begünstigt durch die weite Verbreitung von Smartphones und Apps sind Navigationssysteme zu einer weitverbreiteten mobilen Anwendung geworden. Gleichzeitig gibt es einige Nutzergruppen, insbesondere unter behinderten Menschen, für die die Vorteile von Navigationssystemen sogar noch größer als für den durchschnittlichen Nutzer sind. Auch wenn in den letzten Jahren Navigationssysteme für diese kleineren Nutzergruppen erhältlich geworden sind und ihren Nutzern oft eine große Hilfe sind, so können sie doch ihr volles Potential als Hilfsmittel nicht entfalten. Nur einige Forschungsprototypen ließen bisher dieses volle Potential erkennen. Aus der Sicht eines Benutzers geben Navigationssysteme Rückmeldung über den aktuellen Standort, erhalten eine Zieleingabe und führen den Nutzer dann zum gewünschten Ziel. Darüber hinaus muss das System selbst den aktuellen Standort feststellen und den bestmöglichen Weg zum Ziel berechnen. Für all diese Navigationsaufgaben benötigt das System ein Umgebungsmodell, sei es in Form einer Karte oder einer anderen Repräsentation.

Viele existierende Projekte konzentrieren sich darauf, diese Navigationsaufgaben an die speziellen Anforderungen einer bestimmten Nutzergruppe anzupassen. Auch die vorliegende Arbeit wirkt an den Bestrebungen in dieser Richtung mit, insbesondere für blinde Nutzer, ihr Hauptbeitrag jedoch liegt in einen anderen Ansatz. Diese Arbeit geht davon aus, dass das Umgebungsmodell einen großen Einfluss auf die Navigation hat, und daher dazu genutzt werden kann, Navigationssysteme an die spezifischen Anforderungen der Benutzer anzupassen, weil das Umgebungsmodell alle Navigationsaufgaben beeinflusst und daher ein integraler Bestandteil aller modernen Navigationssysteme ist.

Aufgrund dieser Wichtigkeit leiden aktuelle Navigationssysteme für Menschen mit Behinderung oft an einem von zwei gegensätzlichen Problemen: Wenn das Umgebungsmodell speziell für den angedachten Einsatzzweck, beispielsweise ein Navigationssystem für eine bestimmte Behinderung, erstellt wurde, ist es nur für ein eng umrissenes Gebiet verfügbar. Dies ist meist bei Forschungsprototypen der Fall. Kommerziell erhältliche Systeme hingegen versuchen, ein möglichst weiträumiges Gebiet zu umfassen, müssen dafür aber einige Nachteile bezüglich der Eignung des Umgebungsmodells für den gewünschten Einsatzzweck in Kauf nehmen. Im Idealfall ist ein Umgebungsmodell sowohl weltweit verfügbar als auch für den gewünschten Einsatzzweck erstellt oder zumindest angepasst. Diese Arbeit stellt eine Möglichket vor, diese beiden Anforderungen vereinbar zu machen. Ein Umgebungsmodell, das weltweit verfügbar ist und von vielen Menschen genutzt wird, bildet die allgemeine Basis für das Navigationssystem. Dadurch wird sichergestellt, dass die Daten verfügbar und so aktuell wie möglich sind. Dieses Umgebungsmodell wird dann anhand von regelbasierten Transformationen des Karteninhalts, die speziell zu diesem Zweck entwickelt wurden, transformiert. Diese Transformationen des Karteninhalts kombinieren dabei Daten, die implizit in den Basisdaten vorhanden sind, mit nutzerspezifischen Anforderungen, die in den Transformationsregeln hinterlegt sind. Dadurch wird das Umgebungsmodell an die Anforderungen des Benutzers und der intendierten Navigationsaufgabe angepasst.

Es wird gezeigt, dass diese Anpassungen des Umgebungsmodell einen positiven Einfluss auf alle Navigationsaufgaben haben können und zusammen mit den anderen vorgestellten Fortschritten bei den Navigationsaufgaben einen wichtigen Schritt hin zu individualisierten Navigationssystemen darstellen, die ihre Nutzer optimal unterstützen.

Auch wenn die Transformationen des Karteninhalts hier für die Navigation von Menschen mit Behinderung verwendet werden, haben sie doch das Potential in verschiedenen anderen ortsabhängigen Anwendungen eingesetzt zu werden.