Byzantine fault-tolerant Swarm-SLAM through blockchain-based smart contracts

In order to navigate and explore unknown environments without external localisation systems, autonomous robotics systems must be able to perform Simultaneous Localisation And Mapping, SLAM for short. Through SLAM techniques, robots can build a map of the environment and localise themselves in it in real time. Decades of intensive research have led to efficient solutions in single-robot SLAM, however recent attention has shifted to the design of multi-robot SLAM systems where groups of robots cooperatively build a map and improve localisation estimates through exchange of local information. Multi-robot SLAM offers unique opportunities for improved efficiency, robustness, and parallelisation, however facing the challenges of scalability and consistent data aggregation of potentially conflicting pieces of information. While robustness is often indicated as an intrinsic characteristic of multi-robot systems thanks to the presence of many robots, recent research has shown that robot redundancy and parallelisation of operations are not sufficient to achieve system robustness against misbehaving robots. It is reasonable to assume that a subset of robots may misbehave, deviating from the designed algorithm, due to internal errors or to external malicious tampering. In agreement with decentralised system literature, I name such misbehaving robots as Byzantine robots. This thesis studies the robustness of the state-of-the-art framework for multi-robot SLAM in decentralised robot swarms, which is called Swarm-SLAM. I show that Swarm-SLAM is vulnerable to the presence of Byzantine robots: even one of them is sufficient to jeopardise the entire system. Therefore, inspired by recent research on blockchain-based swarm robotics, I built a security layer for Swarm-SLAM through blockchain-based smart contracts, which are distributed algorithms running on the blockchain. I test my solution with a set of physics-driven simulations of groups of eight robots running algorithms coded in ROS2 and a custom blockchain framework. The results show that the proposed blockchain-based solution makes Swarm-SLAM tolerant to relatively large Byzantine faults. My analysis also shows that the increase in Byzantine fault tolerance is compensated by a decrease in system efficiency. This thesis discusses such a robustness-efficiency trade-off and also comprehensively discusses the security issues that Swarm-SLAM, in the specific, and multi-robot SLAM, in general, face and how they could be potentially addressed through future research in blockchain-based solutions for robotics.

Al fine di navigare ed esplorare ambienti sconosciuti senza l'ausilio di sistemi esterni di localizzazione, i sistemi robotici autonomi devono essere in grado di eseguire la localizzazione e mappatura simultanea, abbreviato in SLAM. Attraverso le tecniche SLAM, i robot possono costruire una mappa dell'ambiente e localizzarsi al suo interno in tempo reale. Decenni di ricerca intensiva hanno portato a soluzioni efficienti nel campo dello SLAM per robot singoli, tuttavia, recentemente, l'attenzione si è spostata al design di sistemi SLAM multi-robot, in cui gruppi di robot costituiscono in cooperazione una mappa e migliorano le stime di localizzazione attraverso lo scambio di informazioni locali. Lo SLAM multi-robot offre opportunità uniche per migliorare l'efficienza, la robustezza e la parallelizzazione, affrontando tuttavia le sfide di scalabilità e di aggregazione coerente di dati potenzialmente in conflitto. Mentre la robustezza è spesso indicata come una caratteristica intrinseca dei sistemi multi-robot grazie alla presenza di molti robot, ricerche recenti hanno dimostrato che la ridondanza e la parallelizzazione delle operazioni non sono sufficienti per ottenere robustezza del sistema contro robot malfunzionanti. È ragionevole presumere che un sottoinsieme di robot possa comportarsi in modo errato, deviando dall'algoritmo progettato, a causa di errori interni o di manomissioni esterne. In accordo con la letteratura sui sistemi decentralizzati, chiamo tali robot malfunzionanti ''robot bizantini''. Questa tesi studia la robustezza del framework allo stato dell'arte per lo SLAM multi-robot in sciami di robot decentralizzati, chiamato Swarm-SLAM. Mostro che Swarm-SLAM è vulnerabile alla presenza di robot bizantini, anche solo uno di essi è sufficiente per compromettere l'intero sistema. Pertanto, ispirato dalle recenti ricerche sulla robotica degli sciami che utilizza la tecnologia blockchain, ho sviluppato un applicativo di sicurezza per Swarm-SLAM che sfrutta contratti intelligenti, che sono algoritmi distribuiti in esecuzione sulla blockchain. Testo la mia soluzione con un insieme di simulazioni di gruppi di otto robot che eseguono algoritmi codificati in ROS2 e un framework blockchain personalizzato. I risultati mostrano che la soluzione proposta rende Swarm-SLAM tollerante a guasti bizantini significativi. La mia analisi mostra anche che l'aumento della tolleranza ai guasti bizantini è correlato a una diminuzione dell'efficienza del sistema. Questa tesi discute tale compromesso tra robustezza ed efficienza e affronta in modo completo le problematiche di sicurezza che Swarm-SLAM, in particolare, e lo SLAM multi-robot, in generale, affrontano e come potrebbero essere potenzialmente affrontate attraverso future ricerche in soluzioni basate su blockchain per la robotica.