Überblick:

Akustische Sensoren (Hörbarer Bereich, Ultraschall-Bereich, usw.) können nahegelegene Objekte am Boden, in der Luft oder unter Wasser erkennen und klassifizieren. Je nach Platzierung des Sensors oder Sensorarrays können Parameter wie Objekttyp, Größe, Anzahl, Reichweite, Richtung usw. optimiert und auf spezifische Ziele zugeschnitten werden. 

Unter Verwendung handelsüblicher Sensoren, Hardware und Open-Source-Software soll ein Konzept für ein batteriebetriebenes Sensorsystem entwickelt werden. Die Datenverarbeitung, d. h. die Identifizierung und Klassifizierung von Klangproben, erfolgt lokal auf dem Knoten. Die Kommunikation über 4G, 5G und LoraWan/Meshtastic ergänzt das System. Neue Eindrücke können gespeichert und übertragen werden. Over-the-Air-Updates der Bibliothek bekannter Quellen sollen zukünftige Erweiterungen ermöglichen.

Die Arbeit wird idealerweise als Masterarbeit bearbeitet. Nach Rücksprache können Teile auch als Bachelorarbeit umgesetzt werden.

Thema der Arbeit

Entwicklung eines batteriebetriebenen, intelligenten akustischen Sensorsystems zur lokalen Objekterkennung und -klassifikation

Art der Arbeit

Masterarbeit (vollständige Systementwicklung und Klassifikationslogik)
Bachelorarbeit (Teilbereiche nach Absprache, z. B. Hardwareintegration, Kommunikationsschnittstellen, einfache Klassifikation)

Hintergrund

Akustische Sensorik bietet in vielen sicherheitsrelevanten, ökologischen oder industriellen Kontexten die Möglichkeit, nahegelegene Objekte unabhängig von Sichtverhältnissen zu erkennen. Ob in der Luft, am Boden oder unter Wasser – Schallereignisse liefern Informationen über Typ, Bewegung, Anzahl und Richtung von Objekten. In Verbindung mit lokaler Datenverarbeitung und energieeffizienter Kommunikation entsteht ein robustes Sensorsystem mit vielseitigen Einsatzmöglichkeiten – z. B. für Überwachung, Umweltmonitoring oder Frühwarnsysteme.

Wissenschaftliche Fragestellung

Wie kann ein mobiles, batteriebetriebenes akustisches Sensorsystem mit lokaler Klassifikationsfähigkeit und energieeffizienter Kommunikation entwickelt werden, das sich flexibel an unterschiedliche Einsatzszenarien und Klangquellen anpassen lässt?

Zielsetzung der Arbeit

• Entwicklung eines tragbaren akustischen Sensorsystems mit lokal arbeitender Signalanalyse
• Optimierung für geringe Energieaufnahme und autarke Laufzeit
• Echtzeit-Klassifikation typischer Geräuschquellen (Fahrzeuge, Drohnen, Schritte, Tiere, etc.)
• Nutzung handelsüblicher Sensorik und Open-Source-Software für Verarbeitung und Kommunikation
• Integration von Kommunikationsschnittstellen (z. B. LoRaWAN, 4G/5G, Meshtastic)
• Aufbau einer modularen Systemarchitektur zur einfachen Erweiterung (z. B. OTA-Updates für Klassifikatoren)
• Speicherung neuartiger akustischer Muster zur späteren Analyse

Methodik

Recherche und Anforderungsanalyse

• Akustische Erkennungs- und Klassifikationsverfahren (Fourier-Analyse, MFCC, ML-Ansätze)
• Vergleich handelsüblicher Mikrofone, Sensorboards und Low-Power-Plattformen (z. B. ESP32, Raspberry Pi, EdgeTPU)
• Definition typischer Anwendungsszenarien und Zielgeräusche

Systemdesign und Architektur

• Auswahl geeigneter Hardware (Sensor, Stromversorgung, Kommunikationseinheit)
• Entwurf der Datenverarbeitungspipeline (Signalanalyse, Filterung, Feature Extraction, Klassifikation)
• OTA-fähige Softwarearchitektur zur späteren Erweiterung

Implementierung und Integration

• Aufbau des Prototyps und Inbetriebnahme der Kommunikationsschnittstellen
• Realisierung der lokalen Klassifikation (z. B. per TinyML, TensorFlow Lite, KNN, SVM)
• Speichermodul für unbekannte Muster oder Analysefeedback

Test, Evaluation und Optimierung

• Messung von Energiebedarf, Erkennungsgenauigkeit, Reichweite und Latenz
• Test in kontrollierter Umgebung mit reproduzierbaren Klangquellen
• Vergleich verschiedener Systemkonfigurationen (z. B. Mikrofontyp, Datenrate, Samplingfrequenz)

Erwartete Ergebnisse

• Funktionierender Prototyp eines intelligenten akustischen Sensorsystems
• Vergleichende Evaluation unterschiedlicher Klassifikationsansätze
• Technische Dokumentation für Aufbau, Wartung und Erweiterung
• Bei Masterarbeiten: Entwicklung eines OTA-Update-Mechanismus für das Klassifikationsmodell und Szenarien für den operativen Einsatz

Voraussetzungen

• Interesse an Signalverarbeitung, Embedded Systems und Mustererkennung
• Erfahrung mit Mikrocontroller-Plattformen, Sensorintegration und Linux-basierten Systemen
• Kenntnisse in Python oder C/C++ sowie maschinellem Lernen von Vorteil
• Bereitschaft zur praktischen Arbeit an Hard- und Softwareprototypen

Überblick:

Im Rahmen der Abschlussarbeit (als Bachelor Arbeit und erweitert als Master Arbeit) soll eine weitreichende FPV Drone aus europäischen, vertrauensvollen Komponenten entwickelt werden. Als Stack sollen ausschließlich Open Source Lösungen zum Einsatz kommen, z.B. inav. Für physikalische Komponenten sollen Elemente aus 3D Druck bevorzugt werden, soweit diese geeignet sind (Wettereinfluss, Temperaturen, …).

Kriterien für die Bewertung der Lösung hinaus sollen Preis (max. 200 EUR), Flugzeit, Reichweite, Payload, Robustheit und Steuerung sein. Für die Steuerung kommen sowohl ELSR für die manuelle Steuerung als auch ein robustes Verfahren für autonome Navigation in "denied environments" in Frage.

Optionale Elemente für eine hypothetische (!) "terminal guidance" können mitgedacht werden.  

Die Erstellung eines umfassenden Literatur-Überblicks unter besonderer Beachtung aktueller Entwicklungen, die Auswahl und Bewertung der technischen Komponenten und deren Leistungsparameter, die Entwicklung einer Hardware- und Software-Architektur und deren Implementierung, Testen und Verifikation sind  wesentliche Bestandteile der wissenschaftlich-fachlichen Arbeit und Bestandteil der schriftlichen Ausarbeitung. 

Thema der Arbeit

Entwicklung einer kosteneffizienten, FPV-fähigen Drohne auf Open-Source-Basis unter Verwendung vertrauenswürdiger europäischer Komponenten

Art der Arbeit

Bachelorarbeit (Basisversion)
Masterarbeit (erweiterte Version mit Fokus auf Autonomie und Systemintegration)

Hintergrund

Im Zuge zunehmender sicherheitspolitischer, wirtschaftlicher und technologischer Souveränitätsanforderungen ist die Entwicklung vertrauenswürdiger, autonomiefähiger Drohnensysteme auf Open-Source-Basis ein hochrelevantes Thema. Kommerzielle Systeme sind häufig Closed-Source, sicherheitstechnisch intransparent und geopolitisch abhängig. Die vorliegende Arbeit soll ein Gegenmodell in Form einer FPV-fähigen, weitreichenden Drohne untersuchen und umsetzen.

Wissenschaftliche Fragestellung

Wie kann unter Verwendung europäischer, vertrauenswürdiger Hardware-Komponenten und vollständig Open-Source-basierter Software eine leistungsfähige, kosteneffiziente FPV-Drohne mit autonomen Fähigkeiten realisiert werden, die für Anwendungen in sicherheitskritischen oder infrastrukturschwachen Umgebungen geeignet ist?

Zielsetzung der Arbeit

• Entwicklung eines vollständigen Drohnen-Prototyps mit einem Budget von max. 200 EUR
• Einsatz ausschließlich vertrauenswürdiger, europäischer und Open-Source-basierter Komponenten
• Vergleich und Bewertung unterschiedlicher Designs hinsichtlich:
  • Flugzeit
  • Reichweite
  • Payload-Kapazität
  • Robustheit unter Umweltbedingungen
  • Steuerungs- und Navigationsfähigkeiten (manuell/autonom)
• Untersuchung von optionalen Funktionen wie einer hypothetischen „terminal guidance“

Methodik

Literaturrecherche:

• Aktuelle Entwicklungen im Bereich FPV/Open-Source-Drohnen
• Sicherheits- und Vertrauensanforderungen an autonome Systeme
• State of the Art im Bereich Navigation in GNSS-denied environments

Systemanalyse & Anforderungsdefinition

• Definition technischer, funktionaler und regulatorischer Anforderungen

Komponentenauswahl und Bewertung

• Open-Source Flight Controller (z.B. iNav)
• ELSR für manuelle Steuerung
• Sensorik für autonome Navigation
• 3D-Druck-Komponenten unter Berücksichtigung von Witterungsbeständigkeit

Konzeption & Entwicklung

• Hardwaredesign (Rahmen, Anordnung, Integration)
• Softwarearchitektur inkl. Steuerlogik, Fail-Safes, Navigation

Implementierung, Test und Verifikation

• Flugtests unter verschiedenen Bedingungen
• Dokumentation von Performanzparametern (Flugzeit, Stabilität etc.)

Auswertung & Bewertung

• Gegenüberstellung der Zielparameter mit Ist-Werten
• Kritische Reflexion von Aufwand, Kosten und Erweiterbarkeit

Erwartete Ergebnisse

• Fliegender Drohnen-Prototyp mit dokumentierter Leistungscharakteristik
• Offene, nachvollziehbare technische Dokumentation
• Bewertung der Tauglichkeit in sicherheitskritischen oder eingeschränkten Umgebungen
• Fundierte Entscheidungshilfen für weitere Forschung oder Weiterentwicklung

Voraussetzungen

• Gute Kenntnisse in Embedded Systems, Sensorik und Regelungstechnik
• Interesse an Open-Source-Hard- und Software
• Erfahrung im Bereich 3D-Druck und/oder UAVs von Vorteil
• Selbstständige Arbeitsweise, Kreativität, systematische Dokumentation

Überblick:

Lageführungssysteme müssen im Katastrophenschutzfall verfügbar, interoperabel und erweiterbar sein.

Mit TAK (Team Awareness Kit) gibt es ein System für die Erstellung, das Führen und Teilen einer Lage (https://www.civtak.org/), das die Integration vielseitiger Informationen (z.B. Fotos von Smartphones oder Videos von Dronen) auf verschiedenen Layern mit verschiedenen Kommunikationskreisen erlaubt. Die Einbindung externer Quellen (z.B. Pegelstände, Satellitenbilder, Textnachrichten, Meshtastic Nodes, Flugdaten, …) ist ebenfalls möglich. 

Im Rahmen einer hypothetischen Lage z.B. für den Katastrophenschutz soll für den Bereich Passau ein TAK Server aufgesetzt werden. Mögliche Schnittstellen zu vorhandenen Informationssystemen (Pegelstände), zivilen und behördlichen Akteuren, und der Bevölkerung sollen identifiziert, bewertet und integriert werden. Dazu sind Sichten (Ebenen, Daten, Vertrauenswürdigkeit, …) zu erstellen. 

Als "Serious Gaming" kann (falls die Arbeit als Master Arbeit umgesetzt werden soll) sind zusätzlich eine Rahmenlage, Entwicklungen und entsprechende Datenpakete und Einspielmöglichkeiten zu entwickeln. 

Thema der Arbeit

Aufbau und Integration eines TAK-gestützten Lageführungssystems im Katastrophenschutz am Beispiel der Region Passau

Art der Arbeit

• Bachelorarbeit (technische Implementierung und Analyse)
• Masterarbeit (erweiterte Version inkl. „Serious Gaming“-Komponente und Simulation dynamischer Lagen)

Hintergrund

Im Katastrophenschutz sind robuste, interoperable und erweiterbare Lageführungssysteme essenziell für eine effektive Koordination zwischen Behörden, Einsatzkräften und der Bevölkerung. Mit TAK (Team Awareness Kit) existiert ein quelloffenes System, das den Austausch und die Visualisierung lagebezogener Daten in Echtzeit ermöglicht – unter Nutzung verschiedenster Endgeräte, Datenquellen und Kommunikationswege.

Wissenschaftliche Fragestellung

Wie kann ein interoperables, vertrauenswürdiges und erweiterbares Lageführungssystem auf Basis von TAK in einem realistischen Katastrophenschutzszenario (Region Passau) aufgebaut und mit bestehenden Informationssystemen vernetzt werden?

Zielsetzung der Arbeit

• Aufbau und Konfiguration eines funktionsfähigen TAK-Servers mit Clients
• Erhebung und Bewertung relevanter Datenquellen (z.B. Pegelstände, Meshtastic, Drohnenbilder, Bürgerhinweise, etc.)
• Entwicklung und Darstellung geeigneter Sichten auf die Lage (technisch, operationell, vertrauensbasiert)
• Identifikation von Schnittstellen zu zivilen und behördlichen Akteuren (z.B. THW, Feuerwehr, Landratsamt)
• Analyse der Informationsflüsse und Bewertung der Datenintegrität, -sicherheit und -aktualität
• (Masterarbeit) Entwicklung einer „Serious Gaming“-Lage mit dynamischer Entwicklung, Rollenzuweisung, Testdaten und Ereignisketten

Methodik

Literatur- und Systemrecherche

• Architektur und Funktionalität von TAK
• Anforderungen an Führungs- und Lageinformationssysteme im Katastrophenschutz
• Bestehende Standards zur Informationsintegration (z.B. CAP, EDXL)

Systemdesign und Anforderungsanalyse

• Festlegung der zu integrierenden Systeme und Datenquellen
• Definition von Layern, Kommunikationskreisen und Benutzerrollen

Implementierung und technische Umsetzung

• Setup des TAK-Servers (z.B. CivTAK oder ATAK)
• Konfiguration sicherer Datenübertragung (z.B. über VPN, Mesh)
• Integration externer Datenquellen (z.B. JSON-Feeds, MQTT, API-Schnittstellen)

Visualisierung und Sichten

• Entwicklung benutzerabhängiger Darstellungskonzepte (z.B. Führung, Kommunikation, Lagekarte)
• Validierung der Daten nach Relevanz, Aktualität und Vertrauenswürdigkeit

Erweiterung: Serious Gaming (nur Masterarbeit)

• Erstellung einer realistischen Übungslage (z.B. Hochwasser, Stromausfall, Evakuierung)
• Simulierte Informationsflüsse, Ereignisse und Lagedynamiken
• Evaluierung durch fiktive Einsätze, Rollenspiel oder Planspielelemente

Erwartete Ergebnisse

• Funktionsfähiger TAK-Server mit konfigurierten Datenlayern und Schnittstellen
• Technische Dokumentation zur Einrichtung, Integration und Nutzung
• Analyse der Machbarkeit und der Grenzen einer zivilbehördlichen Integration
• Für Masterarbeiten: Vollständiges Serious-Gaming-Szenario als Testumgebung

Voraussetzungen

• Kenntnisse in Netzwerktechnik, APIs und Datenschnittstellen
• Interesse an zivilen Schutzsystemen und Geoinformationssystemen
• Selbständige, strukturierte Arbeitsweise
• Optional: Erfahrung mit Android, Docker, OpenStreetMap, Meshtastic oder Drohnensystemen

Orienteering is a group of sports that require navigational skills using a map and compass to navigate from point to point in diverse and usually unfamiliar terrain whilst moving at speed. Participants are given a topographical map, usually a specially prepared orienteering map, which they use to find control points (cf. https://en.wikipedia.org/wiki/Orienteering). 

An orienteering run requires map data (cf. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Orienteringskort_bygholm_2005.PNG or https://de.wikipedia.org/wiki/Orientierungslauf#/media/Datei:Oringenk1.jpg) and navigation points. The development of a course is a complex and work-intensive task.

In the context of this thesis, a user-friendly and supportive system (e.g. browser-based) is to be developed that, from user input, generates orienteering trails with the requested characteristics.

Parameters might be:
- length of the optimal run distance
- average (min, max) distance between two consecutive orienteering points
- height difference between orienteering points or the overall course
- ability-based courses (based on the participants)
- forbidden areas (e.g. https://de.wikipedia.org/wiki/Orientierungslauf#/media/Datei:Oringenk1.jpg)
- difficulty and other aspects according the international orienteering federation
- permanent or temporary courses (requiring the selection of permanently present features in a landscape/urban environment)

The tool shall create courses, runner information, signage (esp. for the points), and all other required information to conduct an orienteering race. 

Ideally, the system would be compatible with standard orienteering software/systems (cf. USB stick-based control point: https://en.wikipedia.org/wiki/Orienteering#/media/File:Tajfuto.jpg)

The thesis can be completed in German or English.

The open topics and calls for applications can be found in the current semester in the Stud.IP event "6048 Other: Theses Chair of Computer Science with SP Embedded Systems / Thesis Openings Chair of Embedded Systems". For the winter semester 2023/2024 the link is: https://studip.uni-passau.de/studip/dispatch.php/course/overview?cid=657e04165e0d0ac417cebc0623afd53a

Die jeweils offenen Themen und Ausschreibungen finden Sie im jeweils aktuellen Semester in der Stud.IP Veranstaltung "6048 sonstige: Abschlussarbeiten Lehrstuhl für Informatik mit SP Eingebettete Systeme / Thesis Openings Chair of Embedded Systems". Für das WiSe 2023/2024 ist der Link: https://studip.uni-passau.de/studip/dispatch.php/course/overview?cid=657e04165e0d0ac417cebc0623afd53a