具有空中飞行和地面滚动双运动模式的球形机器人结合了地面球形机器人的滚动运动特点与无人飞行器的垂直起降和空中飞行特点,实现了球形机器人运动模式的多样化,其在工业、国防和农业等领域有着广泛的应用前景。由于飞行球形机器人独特的结构与一般飞行器和球形移动机器人有明显的不同,它既可以在空中飞行,又可以在地面上滚动,使得其相应的飞行动力学分析、地面运动理论、控制方法和技术等研究工作更具有挑战性。因此,本论文针对飞行球形机器人的结构设计、运动分析和控制方法等关键技术进行深入地研究。主要研究内容如下：(1)针对飞行球形机器人构型方案进行分析和设计。首先提出了飞行球形机器人的设计要求,对飞行球形机器人的球壳优势进行分析,基于飞行球形机器人的地面滚动和垂直起降空中飞行功能提出飞行球形机器人设计方案,使得地面滚动和空中飞行两种运动方式有效地结合起来。然后对飞行球形机器人的两种运动模式的相互转换和影响进行了分析。针对飞行球形机器人的应用提出飞行球形机器人的设计指标,基于该指标对飞行球形机器人的关键部件进行了选型和分析,并对飞行球形机器人的动力系统进行了设计和分析。最后考虑到碳纤维球壳对飞行球形机器人内部装置的保护作用,对碳纤维球壳的受力形变进行了计算和分析,并进行了仿真和实物实验,验证了其理论分析的正确性。(2)研究飞行球形机器人飞行姿态控制技术。首先对飞行球形机器人的飞行运动中的坐标系进行定义,建立其运动学和飞行动力学模型,针对控制舵面对飞行球形机器人的姿态控制进行研究,基于双闭环控制理论对其运动姿态进行控制并进行实物实验,以验证控制方法的有效性。其次,提出机器人重心改变实现对飞行姿态控制的方法,根据其简化机构通过拉格朗日方程得出动力学模型,并采用变结构滑模控制方法对其进行控制,通过仿真和实物实验验证了相应的方法和结论。最后,理论分析碳纤维球壳对飞行球形机器人空中飞行升力的影响,并进行仿真和实验,得出结论。(3)研究飞行球形机器人地面滚动控制技术。首先建立了针对壳质量分布不均的情况下网状球壳前向运动动力学模型,通过对模型的可控性分析,基于反馈线性化的前向运动控制方法进行了仿真和实物实验。然后针对螺旋桨和长轴电机对球形飞行器的地面运动进行了建模,基于LQR方法对模型控制器进行设计,根据设计的控制器进行仿真和实验,得出结论。(4)针对飞行球形机器人在约束条件下飞行运动控制进行研究。首先对飞行球形机器人的两种运动环境进行分析和建模：与水平表面作用模式和与垂直墙面作用模式。通过对这两种运动环境的分析,基于鲁棒控制理论对其运动状态进行控制,以验证控制方法的有效性。针对飞行球形机器人的悬停运动进行分析,并基于反演控制对飞行球形机器人的悬停运动进行了详细的研究,最后通过仿真和实验对飞行球形机器人的基于反演悬停控制运动进行了验证。本论文从构型、建模、运动控制理论等方面对飞行球形机器人进行了深入的研究,所取得的研究成果对地面和空中双运动模式机器人的研究提供了理论依据和技术借鉴,对多运动模式机器人的发展有指导意义。