近年来,低空、慢速、小型无人机快速发展并迅速占领国内市场,部分国内无人机企业现如今已成为世界无人机行业的领军者。无人机可灵活飞行在各种复杂地段并实时传回数据信息,相比于载人飞行器由于其相对较低的研发费用而得到世界各国研究人员的青睐,无人机无论是在军用领域还是在民用领域都展现出经济、高效和实用的价值。球形机器人地面运动方式以滚动为主可实现爬坡、跃障等功能,并且球形机器人在运动过程中无倾覆问题,运动过程中能量消耗低,航程远兼具全地形运动性能。因此,国内外越来越多的研究人员不断投入到球形机器人领域的研究工作中,并取得了丰硕的研究成果。本文在分析现有球形飞行机器人的驱动方式和控制方式的基础上,提出了一种实用、简单、可靠的球形飞行机器人。本文巧妙地将无人飞行器和球形机器人结合为一体,该球形飞行机器人有效互补了无人机能耗高与球形机器人越障能力差的运动短板,可实现空陆两栖的全地形运动。该新型球形飞行机器人有望在军用领域和民用领域大展身手,拥有较为广阔的应用和发展前景。该球形飞行机器人具有飞行、滚动等功能,在自动驾驶仪和遥控器的联合控制下可进行任意地自由飞行。本文在分析球形飞行机器人各组成部分之间功能关系的基础上进行了合理的结构设计,并对球形飞行机器人的控制方式提出了完整的设计方案。本文的主要内容以及研究成果包括:（1）基于传统多旋翼飞行器和现有球形飞行机器人,详细地总结了其运动形式和各种运动形式下物理结构对控制算法设计的影响,以及物理结构的改变对飞行器的飞行性能和功能带来的影响。在充分总结各构型的优缺点之后,设计并提出了一种基于共轴飞行器的、球壳为类蜂巢网状构型的球形飞行机器人。分别对球形飞行机器人的滚动运动单元、飞行运动单元、传动构件和连接零部件进行了设计,并对薄壁网状球壳结构作了流场和结构有限元分析。简约的构型设计可有效降低球形飞行机器人的结构故障率,增加其飞行的可靠性。（2）针对球形飞行机器人的空中飞行运动,建立了机器人的运动学和动力学模型。拉格朗日法适用于较为复杂的系统且计算量较大,故而本文采用更为适合球形飞行机器人的动力学建模方法牛顿—欧拉法,在动力学模型建立之前建立了基于旋转矩阵作为输出的运动学模型。与传统多旋翼飞行器的动力学特性相比,球形飞行机器人的共轴双桨高速对转时,若转轴发生改变产生的陀螺力矩可以相互抵消。因此,在数学模型的建立上可以体现出该新型的球形飞行机器人在物理结构上的优越性。（3）基于球形飞行机器人的动力学和运动学模型和现有的PID控制方法,确定了可调节论域的范围并进一步编写了模糊控制的论域,结合PID的控制方法,设计了一种基于增益模糊自适应整定PID控制的飞行控制算法。为方便控制器的设计,在保证建模精度的前提下对被控对象的数学模型线性化处理。球形飞行机器人的起飞、定点悬停、偏航、鲁棒性验证仿真实验,验证了所建立的球形飞行机器人数学模型的正确性和控制算法的有效性。（4）根据控制要求和任务要求,选用主控芯片STM32F407对球形飞行机器人进行位置解算控制以及对各传感器信号进行处理,选用协处理器STM32F103对球形飞行机器人进行姿态解算控制。主控芯片与协处理器芯片之间以及芯片与传感器之间均采用IIC通信协议,遥控器与飞控之间的通信协议为SPI通信协议,无线通信频率为2.4GHz。最后设计了控制系统的硬件模块,设计了任务决策的程序流程并介绍了开源地面站的使用。